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Isolamento Automático de Falhas em Sistemas

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1. Racioc nio por aproxima o Racioc nio bin rio L gica de predicado l gica fuzzy Redes neurais Figura 8 M todos de isolamento e identifica o de falhas Os m todos de classifica o s o usados quando n o se t m informa es sobre as rela es entre sintomas e falhas ou seja dado um conjunto de sintomas n o se sabe a priori quais falhas geram esses sintomas Conforme pode ser visto na Figura 9 esses m todos utilizam um conjunto sintomas de refer ncia Sref para certas falhas no sistema obtido experimentalmente atrav s de treinamento ou aprendizagem A partir da compara o entre o conjunto de refer ncia e o conjunto de sintomas observados poss vel atrav s de classifica o determinar o conjunto de falhas F no sistema Padr o de Refer ncia J F Classifica o gt Figura 9 Uso de m todos de classificac o para o diagn stico de falhas Por outro lado quando se tem mais informa o sobre as rela es falha e sintomas podem ser utilizados os m todos de infer ncia Essas informa es podem ser expressas por exemplo atrav s de regras do tipo IF lt sintomas gt THEN lt falhas gt Em 15 Isermann2006 apresentado um estudo sobre o uso de m todos de infer ncia no diagn stico de falhas atrav s do uso de rvores de decis o e l gica fuzzy Entre os m todos de diagn stico de falhas podemos citar ta
2. T3 1 T4 1 uMax vsmax uMin vsmin Tabela 7 Par metros dos componentes General Parameters Modifiers Trasformations Attributes k1 Gain of upper input K Default 1 k2 Gain of lower input K Default 1 Cancel Figura 61 Alterando o par metro do componente Sum Feito isto iremos definir agora a interface de comunica o do nosso modelo ou seja o meio pelo qual o modelo poder se comunicar com o mundo externo A comunica o entre componentes Modelica feita atrav s de conectores As conex es s podem ser feitas entre conectores de tipos equivalentes Para mais detalhes sobre o mecanismo de conex o Modelica consulte a documenta o da linguagem 138 Somente as vari veis definidas na interface podem ser vis veis no Auto FDI Editor e Auto FDI Executor conforme veremos mais adiante Usaremos os componentes do tipo Reallnput e RealOutput para definir a interface do modelo Ambos componentes podem se encontrados no pacote Modelica Blocks Interfaces da biblioteca de componentes Modelica Iremos exteriorizar a sa da de todos os componentes do modelo Assim arraste 9 componentes do tipo RealOutput e um do tipo RealInput Conecte as sa das de cada componente para o conector associado a ele conforme ilustra a abaixo Conector Conectores de entrada de sa da Verror AVR Sum Lirrete
3. iii Resumo Este trabalho apresenta o Auto FDI Automatic Fault Detection and Isolation uma ferramenta de detec o e isolamento de falhas em sistemas A ferramenta usa o conceito de redund ncia anal tica onde sinais obtidos do sistema possivelmente com falha s o comparados com sinais esperados obtidos de um modelo O isolamento de falhas emprega uma t cnica desenvolvida neste trabalho chamada isolamento autom tico A t cnica usa uma abordagem baseada em grafos que considera a propaga o de falhas e a falta de informa o sobre determinados componentes do sistema Falhas s o localizadas de forma mais precisa poss vel dado o n vel de detalhe do modelo No escopo deste trabalho foi abordado todo o processo de especifica o projeto implementa o e valida o da ferramenta utilizada como prova de conceito para a t cnica desenvolvida A valida o da ferramenta foi feita atrav s da realiza o de um estudo de caso por potenciais usu rios o que permitiu demonstrar a aplicabilidade da ferramenta e a da t cnica desenvolvida Palavras Chaves ferramenta detec o de falhas diagn stico de falhas isolamento de falhas propaga o de falhas modelo de propaga o de falhas grafos Abstract This work presents Auto FDI Automatic Fault Detection and Isolation a software tool for detection and diagnosis of faults in systems The tool uses the analytical redundancy concept where signals from the possibl
4. Modelo de intera o Usu rio i ModelicaCommuni esActor Fa adeSmartDia Clock SR e patio o OutputObserver DetectionObserver Isolador IsoladorObserver omc T T Inicia inicio fim simula inicio fim 1 E 1 simula in cio fim while tempo lt fim 7 I 1 7 i clock tempo notifica outputEvent i i i i i i i i i l Inicia inicio fim 1 9P 71 getValue i notifica detectionEvent 1 getValue clock tempo notifica isolationEvent getValue t getValue Cen rio Acesso externo ao sistema via Web Services Especificac o Caso de Uso Acesso externo ao sistema via Web Services Descri o A funcionalidade do sistema Auto FDI acessada por um sistema externo Atores Sistema externo prim rio Etapas 1 O sistema externo obt m a defini o do servi o 2 O sistema externo chama um servi o do sistema Auto FDI via protocolo SOAP 3 Resultados da chamada s o recebidos pelo sistema externo Modelo de intera o Aplica o p C Externa Arquivo WSDL im en cote do Fa adeSmartDiag lt lt Actor gt gt RO Rj T T T T l i i l
5. comp comp8 comp9 NULL comp4 comp5 comp6 S compl comp2 comp4 comp8 comp9 FPMII F F F soo ORO comp4 comp5 comp6 F f comp10 comp11 comp12 NULL comp1 comp2 comp3 O OK O O P P mR comp7 comp8 comp9 S compl gt comp8 comp9 comp12 171 FPMI2 comp6 omp5 comp10 comp11 comp12 NULL comp1 comp2 comp3 comp comp8 comp9 S compl j FPM13 comp1 comp2 comp3 omp10 compif comp12 NULL comp comp8 comp9 S compl comp2 comp3 comp7 FPM14 172 S compl 5 FPM15 comp2 comp3 F previous 7 comp0 comp1 173 S t tcomp2 5 j FPM16 adaptado de CS2001 S tcomp2 j icomp4j j 174 FPM17 from Chessa e Santi S el c2 c5 c2 c3 c6 c7 c10 c3 c4 c7 c11 3 c4 c7 c8 12 FPM18 S cl c2 c3 175 FPMI9 S 1 c1 c2 c3 c4 c5 c6 07 176 Bibliografia ASS2007 Beck1999 Beck2002 BL2006 Bredemeyer a Bredemeyer b BSS2006 CS2001 Abath Neto O L Sauv J Souza A D D Patterns for Scripted Acceptance Test Driven Development In Proceedings of the 12th European Conference on Pattern Languages of Programs EuroPlop 2007 Irsee Monastery Germany 2007 pp A4 1 A4 13 Beck K Extreme Programming Explained Embrace Change Addison Wesley Professional 1999
6. 20 Figura 12 Modelo de propaga o de falhas para um sistema com componentes de tipl pla Saldaszusca ce ates diari pa ted Pase Nasa Lau ac xi s dv aver PANE AME abs La a A SS 2 Figura 13 Modelo de propaga o de falha para um determinado sistema 22 Figura 14 Exemplo de um FPM para um determinado sistema sess 24 Figura 15 Exemplo de um FPM para um determinado sistema sess 25 Figura 16 Exemplo de FPM com propaga o de falhas em um ciclo 23 Figura 17 Exemplo de FPM sem propaga o de falhas no ciclo sss 26 Figura 18 retirada de CS2001 FPM para um determinado sistema 27 Figura 19 Redu o do grafo Exemplo 1 eese ettet nnn 30 Figura 20 Redu o do grafo Exemplo 2 eese eee eene eene tnn 30 Figura 21 Usuarios da ferramenta sussa f orto sa RUN 35 Figura 22 Arquitetura geral do Auto FDI esee 58 Figura 23 Arquitetura Interface com o usu rio ecis eddie natis eta sene dO Reti neue 59 Figura 24 Padr o Model View Controller eene 60 Figura 25 Arquitetura L gica de neg cio co oett at t nnde M ae c S 60 Figura 26 Arquitetura Modelo de Detec o erre 62 Figura 27 Arquitetura Modelo do Sistema seen 63 Figura 28 Arquitetura Web Serv
7. Beck K Test Driven Development By Example Addison Wesley 2002 Blanke M Lorentzen T SaTool A software tool for structural analysis of complex automation systems Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes 2006 Bredemeyer Consulting Conceptual Architecture Action Guide dispon vel em http www bredemeyer com pdf files ActionGuides Conceptual Architecture ActionGuide PDF acessado em maio de 2009 Bredemeyer Consulting Key Decisions Template dispon vel em http www bredemeyer com pdf files WhitePapers KeyDecisions Template doc acessado em maio de 2009 Bouamama B O Staroswiecki M Samantaray A K Software for supervision system design in process engineering industry IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes 2006 Chessa S Santi P Operative diagnosis of graph based systems 177 CV 1997 DAS 2006 DFS DPRS1995 DV2000 Dym ExtendedPetriNet FKNA2006 Fowler1997 FPDM2001 with multiple faults Systems Man and Cybernetics Part A Systems and Humans IEEE Transactions on vol31 no 2 pp 112 119 Mar 2001 Cardoso J and Valette R Redes de Petri Editora UFSC 1997 Ding S X Atlas E Schneider S Ma Y Jeinsch T Ding E L An introduction to a Matlab based FDI toolbox
8. Cen rios de Isolamento Autom tico de Falhas Neste ap ndice apresentamos alguns cen rios de modelo de propaga o de falhas FPM com o respectivo resultado do isolamento autom tico A cor vermelha representa que os respectivos componentes cont m falhas enquanto que a cor amarelha significa que o componente um potencial fonte de falhas mas n o poss vel determinar com certeza se o componentes apresenta falhas ou n o FPMO1 F F F O 4 9 comp1 comp2 comp3 NULL S compl FPM02 F comp1 comp comp3 NULL 2 S compl comp2 comp3 FPMO3 168 comp4 NULL comp2 S comp3 FPM04 comp3 comp4 NULL comp2 S comp1 comp2 FPMOS comp3 comp4 NULL comp2 S compl comp2 comp3 FPM06 169 OHO OHO HO HOE comp1 comp2 comp3 comp4 comp5 comp6 comp7 NULL S compl comp2 comp3 FPM07 OO O SBHO FO OBO FO comp1 comp2 comp3 comp4 comp5 comp6 comp NULL S comp4 comp7 FPMOS OF OHO OBO BHO comp1 comp2 comp3 comp4 comp5 comp6 comp NULL S comp1 comp6 comp7 FPMOS 2 2 comp1 comp2 comp3 comp4 comp5 comp6 comp comp8 comp9 NULL S comp5 comp6 comp7 170 FPM09 comp3 O comp1 comp2 comp comps comp9 NULL comp4 comp5 comp6 S compl comp2 comp4 FPMIO comp3 comp1 comp2
9. modelo com componente de inje o de falha res 166 Lista de Tabelas Tabela 1 Nomenclatura usada para descrever o Isolamento Autom tico de Falhas 28 Tabela 2 Etapas do algoritmo de Isolamento Autom tico de Falhas 29 Tabela 3 Descri o dos principais pacotes da ferramenta Auto FDI 92 Tabela 4 Quadro comparativo das ferramentas serene 122 Tabela 5 Tipo dos componentes do modelo do sistema de excita o 133 xiii Tabela 6 Par metros do modelo do sistema de excit o ssssssuss 136 Tabela 7 Par metros dos componentes scis pisa tod OD bd A cde dels 138 Lista de C digos Fonte C digo 1 Algoritmo de redu o do grafo e ce eceecceecceeseeesseceteceeeceseeeeseecaeceeeeeeeeenseees 31 C digo 2 Chamada ao algoritmo de redu o do grafo sssssssssssss 31 C digo 3 Computa o de Br ss sessssessesessssessessesressessresresseestesesseesesrsseessessesseessessessees 32 C digo 4 Computa o de PS sas estes GI ata d te lun eai 33 C digo 5 Conector da linguagem Modelica seen 70 C digo 6 Trecho de c digo Modelica com defini o dos valores dos par metros do modeloma edente dd nak tomi etd Da Mace Aa DO NO ERE ERN E EO 136 xiv 1 Introdu o Cap tulo 1 not rio que nos ltimos anos o avan o tecnol gico tem impu
10. Agora vamos abrir o ambiente de execu o que foi criado anteriormente no Auto FDI Editor Para isto escolha a op o Diagn sticos Abrir no menu e selecione o arquivo que foi salvo na etapa de montagem da ambiente A figura abaixo ilustra o momento da escolha do arquivo E Smart Analysis Executor Examinar O ambientes istemaDeExcitacao xml Documentos recentes 2 Desktop C Meus documentos Meu computador Nome do arquivo SistemaDeE xcitacao xml x ade Arquivos do tipo xml files x Meus locais de Figura 92 Escolhendo o ambiente de diagn stico Depois de abrir o arquivo ser exibida a interface que criamos no Auto FDI Editor Observe os elementos da interface na figura abaixo 161 EE Smart Analysis Executor Diagn sticos tem tem inter ba Tempo ie Q OQ po 0 po w vao w na J Para Visualiza o real dos componentes Graficos Visualiza o Tempo Falha metro a s e Todos Caminhos _ sista 1 sist sist f 2 E EE Mu 9 sist S gt A Etsi Bette ate sist fo sist nb u sist ono E sist laa MA a2 Crabs ads de schemi de pettiness O en tablz ados compreende Componentes do modelo Figura 93 Auto FDI Editor Ambiente de diagn stico aberto No lado esquerdo da tela est a janela de par metros Esta janela lista todos os par metros do mo
11. De um modo geral os usu rios mostraram se bastante satisfeitos com o editor para criac o do ambiente de diagn stico Apenas algumas pequenas sugest es foram sugeridas por parte do cliente como por exemplo a possibilidade de escolher v rios tipos de gr ficos gr ficos de barras pizza etc para visualizar os dados RF 9 Gr ficos O ambiente de diagn stico deve permitir a gera o de gr ficos para visualiza o do processo de diagn stico valores de entradas e sa das do sistema sa da do modelo res duos sintomas falhas etc Coment rios Durante a cria o do ambiente de diagn stico no Auto FDI Editor poss vel adicionar gr ficos que ser o plotados durante a realiza o do diagn stico no Auto FDI Executor veja se o 1 5 do manual no Ap ndice C Ao adicionar um gr fico o usu rio define as vari veis que ser o exibidas no mesmo valores entradas e sa das do sistema res duos sintomas falhas etc Os gr ficos s o plotados durante a realiza o do diagn stico no Auto FDI Executor Sendo assim o requisito tamb m foi atendido No entanto conforme j dito foi sugerido que pudesse ser escolhido entre diversos tipos de gr ficos gr ficos de barras pizza etc 102 RF 12 Modelo de sistema e modelo de sinal Deve ser poss vel criar solu es de diagn stico usando m todos de detec o de falha baseados a em modelos de sistemas b em modelos de sinais c uma combina
12. Os res duos s o idealmente zero quando o sistema n o possui falhas e um valor diferente de zero quando h falhas no sistema Por m devido presenga de ru dos perturba es e erros de modelagem os res duos s o geralmente diferentes de zero mesmo na aus ncia de falhas Portanto necess rio haja uma avalia o dos res duos para determinar se houve ou n o falhas no sistema tendo como resultado os sintomas Os sintomas s o a base para o diagn stico de falhas Eles podem ser valores bin rios 0 1 ou por exemplo conjuntos fuzzy Um m todo bastante simples de avalia o de res duos a compara o do valor absoluto do res duo com um limiar O sintoma recebe o valor 1 um quando o limiar excedido indicando que uma falha foi detectada ou O zero caso contr rio Oselr l lt K J Str lser gt K J 12 Os limiares podem ser fixos obtidos experimentalmente ou atrav s de m todos estat sticos Gertler1998 Para diminuir a sensibilidade a dist rbios e ru dos em vez de considerar o valor instant neo dos res duos os sintomas poderiam ser gerados com base no valor m dio dos N ltimos valores de res duos lt K 0 N SE aa n S r l ser ME k js gt K Diversos m todos de detec o de falhas s o apresentados na literatura Exemplos de m todos baseados em modelos do sistema s o estimativa de par metros observadores de estado estimativa de
13. PhaseCompensation adapter PSSLimiter adapter e mais um para a vari vel de entrada Verror in adapter usado para alimentar o modelo O resultado pode ser visto na figura abaixo 145 FileReader a FileReader FileReader FileReader FileReader FileReader FileReader FileReader FileReader FileReader Figura 72 Modelo de detec o de falhas adi o dos adaptadores O pr ximo passo especificar o arquivo para cada adaptador de entrada O caminho do arquivo um par metro do componente Componentes LeitorDeArquivo l arquivos em um formato espec fico com duas colunas Cada linha do arquivo dividida em duas colunas separadas por caractere de espa o A primeira coluna cont m valores num ricos representando os tempos de medi o A segunda coluna cont m os valores da vari vel medidos ao longo tempo Os arquivos que usaremos no nosso exemplo est o dispon veis no diret rio de instala o do Auto FDI na pasta exemplos sistema de excitacao arquivos Primeiro copie a pasta de arquivos de exemplo para o projeto que criamos C Auto FDNExemplosiSistemaDeExcitacao Cada arquivo cont m os valores de uma vari vel do sistema monitorado Os arquivos s o nomeados de acordo com os componentes do modelo por exemplo Verror txt AVR txt etc Para especificar o arquivo de cada componente selecione o componente e clique no bot o direito do mouse Escolha Properties e d
14. es de depend ncias entre os componentes do sistema e tamb m os sintomas gerados na fase de detec o de falha Defini o 1 Seja FPM V E f um grafo dirigido representando o sistema onde 21 e V s 82 83 8n o conjunto de v rtices representando os componentes do sistema BEV AE deg conjunto de arestas do tipo e si sj onde Si e Y s o v rtices de V Se Gb e E implica que os sistemas Si e Y est o interligados rela o de depend ncia entre Si e gj e uma falha pode se propagar do componente si para o componente sj e f E OK F Ind uma fun o de marca o de arestas Essa fun o atribui uma marca o para as arestas do grafo com base nos sintomas gerados na fase de detec o de falhas A fun o definida por OK se a sa da do componente si apresenta o comportamento esperado F se a sa da do componente si n o apresenta o fGi Sf comportamento esperado sintoma de falha Ind se nao foi poss vel observar o estado da sa da do componente si A Figura 13 ilustra o FPM em quest o para o mesmo sistema da Figura 12 a Veja que o modelo bastante intuitivo com uma correspond ncia quase que direta com o sistema real diferenciando apenas pela adi o dos sintomas nas arestas e a inclus o de v rtices adicionais representando as folhas do grafo No exemplo o componente 4 do sistema cont m falhas Figura 13 Modelo de propaga o de falha para um determinad
15. f unifica o diagn stico sistema vari veis res duos sintomas ge sintomas de falhas medidas observados heur sticos Observa o de Avalia o de gt detec o de falhas diagn stico de falhas Figura 7 baseada em Isermann2006 Unifica o de sintomas no processo de detec o e diagn stico de falhas Existem v rios mecanismos para se obter a unifica o de sintomas Uma possibilidade a unifica o atrav s do uso de n meros de confian a e o tratamento probabil stico dos sintomas A teoria por traz desse mecanismo apresentada em Freyumuth1991 Outra possibilidade a representa o dos sintomas como fun es de pertin ncia de conjuntos fuzzy discutido em IU1993 Ap s a unifica o dos sintomas segue o diagn stico de falhas propriamente dito Os m todos de diagn stico de falhas podem ser divididos em dois grupos gerais m todos de classifica o e m todos de infer ncia A Figura 8 mostra a rela o de diversos m todos de diagn stico de falhas que s o abordados em Isermann2006 14 M todos de Classifica o Reconhecimento Classifica o M todos de M todos baseados M todos de padr es estat stica aproxima o em densidade de IA classifica o classifica o com com l gica fuzzy redes neurais tabelas classifica o arvore de classifica o classifica o de decis es de Bayes decis o polinomial geom trica M todos de Infer ncia
16. mostrado na Figura 41 IFaultisolatorAlgorithm 8GetFaults time FaultCollection K Ya BinaryDiagnosticMatrixIsolator Automaticlsolator matrix Matrix raph SymptomGraph GetFaults time FaultCollection etFaults time FaultCollection CondensedGraphAlgorithm EBgraph SymptomGraph E aa ad ptoms SymptomList masc SymptomGraph ondensedGraphAlgoritm graph SymptomGraph omputeCondens edGraph Graph Figura 41 Diagrama de classes do pacote isolation A classe BinaryDiagnosticMatrixIsolator foi desenvolvida durante o trabalho de Pontes2008 Tal classe implementa o m todo de isolamento de falhas baseado em uma matriz chamada matriz bin ria de diagn stico que cont m a rela o entre os sintomas e as poss veis falhas no sistema Os sintomas podem ser gerados durante o processo de detec o de falhas ou podem ser sintomas heur sticos obtidos atrav s da observa o do sistema por especialistas Esse m todo tem a grande desvantagem de permitir apenas o isolamento de uma nica falha single fault diagnosis problem em que considerada a hip tese de que n o ocorre mais de uma falha no sistema ao mesmo tempo A teoria por tr s desse m todo e os detalhes de implementa o s o apresentados em Pontes2008 da mesma autora A classe Automaticlsolator implementa o t cnica de isolamento de falhas abordada no cap tulo 3 A classe p
17. o com componentes de inje o de falha importante salientar que os componentes de inje o de falhas devem ser inseridos no modelo interligados aos componentes aos quais se desejam injetar as falhas na entrada ou sa da de tais componentes A Figura 97 ilustra como pode ser feito para permitir a inje o de falhas no componente Phase Compensation do modelo Observe que o componente de inje o de falha intercepta a sa da do componente onde a falha poder ser injetada Phase Compersatar Weert b s b s a s a s Figura 97 Injec o de Falhas a modelo sem componente de injec o de falha b modelo com componente de injec o de falha 166 Os componente FalhaAditiva usado no exemplo acima possui um par metro valor Esse par metro indica um valor real que ser adicionado aos sinais de entrada sa da do modelo Os valores dos par metros dos componentes de inje o de falhas s o alterados de mesma maneira que feito em qualquer outro componente Assim pode ser feito no Dymola no Auto FDI Editor ou no Auto FDI Executor conforme mostrado anteriormente A simula o do modelo de detec o criado pode ser feita diretamente no SimForge permitindo a inje o de falhas e verifica o de todas as vari veis do modelo atrav s de gr ficos Alternativamente pode ser criado o ambiente de simula o no Auto FDI Editor da mesma forma como feito para um sistema real 167 Ap ndice D
18. o do grafo onde a regi o sombreada representa os componentes fortemente conectados a serem contra dos No ap ndice D podem ser encontrados v rios outros exemplos Exemplo 1 29 Figura 19 Redu o do grafo Exemplo 1 Exemplo 2 Figura 20 Redu o do grafo Exemplo 2 A redu o do grafo foi realizada usando o algoritmo de Tarjan Tarjan1972 com uma ligeira altera o A modifica o no algoritmo original consistiu em verificar se existe uma aresta com marca o OK em alguma conex o dos componentes fortemente conectados implicando que a falha n o se propagou O C digo 1 mostra o pseudoc digo do algoritmo com a altera o em destaque O algoritmo possui complexidade de tempo O n e onde n o n mero de v rtices e e o n mero de arestas do grafo Tarjan1972 GraphReduction Graph v v index index Set the depth index for v v lowlink index 30 index index 1 S push v Push v on the stack foreach e v v in E do Consider successors of v if e Tag break if v visited then Was successor v visited tarjan v Recurse v lowlink min v lowlink v lowlink elseif v in S then Is v on the stack v lowlink min v lowlink v lowlink if v lowlink v index then Is v the root of an SCC repeat v S pop components vertexIndex lt components vertexIndex U v until v v j C digo 1 Algoritmo de redu o do
19. s o usados para especificar as rela es de depend ncia entre os componentes do sistema em solu es que utilizam modelos de sinais com o objetivo de tornar poss vel o isolamento de falhas Um componente de liga o recebe um sinal como entrada e simplesmente propaga este sinal para sua sa da Se for uma componente folha do sistema a sa da do componente n o entrada para outro componente do sistema o componente de liga o simplesmente ignora o sinal de entrada O modelo ilustrado na Figura 46 exemplifica o uso de componentes de liga o onde o componente compl um modelo do sistema e os componentes comp2 comp3 e comp4 s o componentes de liga o compi input eomp output comp1 m n omp2 output n 1 di comp2 input comp3 input comp4 input omp4 output Figura 46 Modelo com componentes de liga o Esse modelo foi criado para demonstrar uma solu o de diagn stico usando a combina o de t cnicas baseadas em sinais com t cnicas baseadas em modelos de sistemas O modelo de detec o ilustrado na figura abaixo usa esse modelo para exemplificar o uso de ambas as t cnicas de detec o de falhas 104 Fj le Rea d er comp symptom aval comp1 output R B File Reader comp1 omp2 symptom ourier Analysis File Reader comp2 system model omp3 symptom ourier Analysi ile Reader ourier Analysis comp3 omp4 s
20. sabe das necessidades de informa o dos listeners e Facilita a coleta de informa o baseada no tempo pois com o modelo Push seria necess rio por exemplo verificar se os dados recebidos de diferentes sources est o sincronizados no tempo Construir um editor para a cria o de diagnosticadores RF Editor de interface de diagnosticadores N o usaremos a ferramenta de modelagem para realiza o do diagn stico Ao inv s disso criaremos um editor para a montagem do ambiente onde ser realizado o diagn stico e Podemos criar uma interface gr fica mais sofisticada personalizada e mais f cil de usar e O diagn stico poder ser feito sem a necessidade de ter a ferramenta de modelagem instalada Teremos que implementar algumas funcionalidades j providas pelas ferramentas de modelagem como por exemplo a gera o de gr ficos Teremos nosso pr prio editor para cria o do ambiente de diagn stico porque com o SimForge n o poss vel obter uma interface altamente personalizada Tamb m n o seria poss vel obter algumas das caracter sticas que desejamos como por exemplo exibir um alarme na presen a de falhas Usar uma biblioteca para constru o do ambiente de diagn stico Princ pio buy don t build RF Cria o do ambiente de diagn stico 54 17 Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Deve ser usa
21. veja se o 2 4 conforme o ilustrado na Figura 12 a Nesses tipos de componentes poss vel que falhas afetem apenas uma de suas sa das enquanto que outras n o violando assim a propriedade a No sistema da Figura 12 a por exemplo pode acontecer de uma falha no componente 4 se propagar para o componente B e n o se propagar para os componentes C e D Figura 12 Modelo de propagac o de falhas para um sistema com componentes de m ltipla sa das Embora esse FPM n o contemple esses tipos de sistema ainda assim poss vel obter um modelo de propaga o equivalente conforme ilustrado na Figura 12 b O modelo obtido criando um v rtice para cada uma das sa das dos componentes de m ltipla sa da e conectados os v rtices adequadamente Por m vis vel que o modelo obtido bem menos intuitivo pois n o tem um mapeamento direto entre os v rtices do grafo e os componentes do sistema Por sua vez temos que propriedade uma falha propagada em um v rtice ir ativar o seu alarme tamb m nem sempre v lida De fato n o incomum que o alarme de um componente permane a desativado mesmo que receba sinais de entrada de um componente com falha geralmente quando a diferen a no valor esperado de sinal est abaixo de um determinado limiar Sendo assim usamos neste trabalho um modelo de propaga o de falhas ligeiramente diferente do modelo apresentado definido a seguir O modelo cont m as rela
22. Ap s a detec o de falhas segue o diagn stico de falhas que utiliza os sintomas para o isolamento e a identifica o de falha atrav s da aplica o de m todos de classifica o ou de infer ncia Isermann2004 As se es seguintes descrevem estas duas fases em mais detalhes 2 3 1 A fase de detec o de falhas A fase de detec o de falhas conforme ilustrado na Figura 5 envolve basicamente duas etapas 1 Gera o de Res duos e 2 Avalia o de Res duos Gertler1998 observa es Gera o de res duos Avalia o de sintomas Res duos Res duos Figura 5 Etapas da Detec o de Falha Na gera o de res duos feita basicamente uma compara o entre os valores das vari veis do sistema com valores esperados As diferen as entre essas vari veis os res duos s o indicadores da presen a de falhas no sistema baseado na diferen a entre o 11 comportamento do sistema e o comportamento do modelo comportamento esperado A Figura 6 ilustra a gera o de res duos baseada no modelo de funcionamento normal da planta do sistema dt yit Modelo sem falhas y k k w conjunto de entradas no instante t conjunto de sa das no instante t conjunto de sa das do modelo no instante t res duo no instante t conjunto de par metros do modelo Figura 6 baseada em Munoz1996 Gerac o de res duos baseada no modelo de funcionamento normal da planta do sistema
23. Conforme j mencionamos o uso de adaptadores o mecanismo do Auto FDI para a inje o de sinais medidos de sistemas reais permitindo o diagn stico para tais sistemas Alternativamente o Auto FDI pode ser usado para simula o do processo de detec o e diagn stico de falhas permitindo inje o de falhas no sistema avalidado Inje o de falhas uma t cnica bastante importante em sistemas de detec o e diagn stico de falhas Esta t cnica consiste em inserir falhas no sistema e verificar se o resultado do diagn stico em resposta falha foi o esperado No caso do Auto FDI as falhas s o injetadas em um modelo que representa o sistema e n o no sistema real embora isso tamb m seja poss vel O mecanismo de inje o de falhas no Auto FDI permite e Avaliar a qualidade do diagnosticador atrav s de m tricas de confiabilidade sensibilidade a falhas verifica o da cobertura de falhas etc 163 e Otimizar o processo de diagn stico e Realizar treinamento dos operadores sem a necessidade de conectar ao sistema real e Entender melhor o modelo de detec o de falhas Para realizar a simula o do processo de detec o e diagn stico de falhas necess rio antes de tudo ter um modelo de detec o que contenha um modelo do sistema com componentes especiais chamados componentes de inje o de falhas Os componentes de inje o de falhas t m a finalidade de alterar valores das entradas e ou
24. LH SistemaDeExcitacao res plt LJ dummy AVR output Limiter output LJ PSSGain output E PSSLimiter output Phase Compensation output Phase Compensation2 output Sum output Verror input LJ Verror output _ WashOut output C der dummy time gt 7 AVR Figura 69 Verificac o do resultado da simulac o do modelo 1 4 Cria o do Modelo de Detec o de Falhas r Depois de criado o modelo o pr ximo passo a cria o do modelo que implementa a fase de detec o de falhas do processo de diagn stico A cria o desse modelo chamado de Modelo de Detec o inclui a leitura dos sinais de entrada e sa da do sistema a gera o de res duos e a avalia o de residuos Detalhes sobre o processo de detec o e diagn stico de falhas pode ser encontrado cap tulo 2 desta disserta o A inje o de sinais do sistema no modelo feita atrav s de componentes especiais chamados adaptadores Os adaptadores s o componentes Modelica que sabem como acessar os dados a serem consumidos pelo modelo Alguns componentes adaptadores est o disponibilizados na biblioteca de componentes do Auto FDI a exemplo do LeitorDeArquivos Para mais informa es sobre a inje o de sinais ou sobre a cria o de adaptadores consulte o manual de refer ncia do Auto FDI Tamb m est o dispon veis na biblioteca de componentes do Auto FDI com
25. o da solu o n o h implica o que apenas tais tecnologias sirvam ao prop sito do sistema Outras tecnologias poder o ser utilizadas com igual efic cia 1 Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Usar uma arquitetura baseada em componentes Desacoplamento RNF Arquitetura extens vel A arquitetura do sistema deve ser projetada de forma que possa ser poss vel compor o sistema atrav s da montagem de componentes muito importante observar que estamos usando aqui a palavra componente com uma sem ntica precisa como definido por Wang e Kai Qian em Component Oriented Programming WK2005 um peda o de c digo auto contido e auto implant vel com uma funcionalidade bem definida e que pode ser agregado com outros componentes atrav s de sua interface A forma de integrar componentes solu o final de usar very late binding usando por exemplo reflex o em CH Uma arquitetura baseada em componentes Component Based Architecture CBA em ingl s permite a adi o de novos componentes com facilidade sem a necessidade de recompila o do c digo o que torna a solu o bastante flex vel Al m disso o acoplamento entre os componentes m nimo uma vez que estes obedecem a uma interface bem definida facilitando portanto a manuten o Projetar uma arquitetura baseada em componentes requer que todo o sistema seja dividido em m dulos com in
26. o de ambos Coment rios O estudo de caso apresentado no ap ndice C demonstra a cria o de uma solu o de diagn stico baseada em modelo do sistema Na solu o feita uma compara o entre os valores das vari veis do sistema com valores esperados obtidos do modelo gerando assim os res duos Depois feita a avalia o de res duos onde s o gerados os sintomas Consulte a se o 2 3 para obter mais detalhes sobre o processo de detec o de falhas baseada em modelos do sistema A Figura 45 mostra o Modelo de Detec o para o sistema de excita o Verror sintoma error sort output gt B AVR_sintoma AVR sint output SIR B Sum sintoma gt R B Limiter sintoma JR B PSSGain sintoma s B WashOut_sintoma File Reader gt Sum sint output earm a Ride FileReader File Reader File Reader FileReader FileReader FileReader FileReader File Reader wvvYY vv vv vvv vvvVv FileReader Figura 45 Modelo de Detec o para o sistema de excita o Durante o desenvolvimento do Auto FDI tamb m foram feitos exemplos utilizando modelos de sinais e exemplos que misturam modelos de sistemas com modelos de sinais Componentes que implementam an lise de sinais a exemplo da an lise de Fourier est o dispon veis na biblioteca Diagnostics Signal Neste pacote tamb m est o inclusos componentes especiais chamados componentes de liga o que 103
27. o de falhas baseadas em modelos para a realiza o do diagn stico Sendo assim se faz necess rio dispor de modelos que descrevam os sistemas a serem avaliados O modelador o usu rio respons vel por construir tais modelos Este usu rio em geral um engenheiro do setor industrial onde a ferramenta est sendo aplicada possui conhecimento sobre as caracter sticas e propriedades f sicas dos sistemas a serem modelados e geralmente tem bastante experi ncia na modelagem de sistemas O criador de diagnosticadores o usu rio respons vel por montar um ambiente de diagn stico adequado ao sistema a ser avaliado ou seja a interface que ser usada pelo operador durante a realiza o do diagn stico O criador de diagnosticadores tem como prop sito selecionar informa es teis que poder o ser configuradas e visualizadas durante a realiza o do diagn stico Este usu rio possui conhecimento sobre o comportamento do sistema a ser avaliado mas n o precisa ter experi ncia na modelagem de sistemas O operador o usu rio que de fato realizar o diagn stico de sistemas Esses usu rios geralmente s o operadores dos centros de supervis o e controle da organiza o 35 onde a ferramenta est sendo usada Esse tipo de usu rio n o precisa possuir avan ado conhecimento t cnico e geralmente reporta os resultados do diagn stico para outra rea da organiza o para que no caso de falhas as devidas provid ncias seja
28. o dos modelos e um outro perfil operador que ir realizar o diagn stico atrav s do Auto FDI Executor 1 3 Cria o do Modelo Nesta se o descrevemos os passos necess rios para a cria o do modelo do sistema de excita o Conforme mencionamos anteriormente o Auto FDI vem com o SimForge integrado para a cria o de modelos Para informa es detalhadas sobre o SimForge consulte o manual da ferramenta atrav s do menu Help da ferramenta ou no site da mesma Para abrir o SimForge clique em na tela inicial do Auto FDI Ap s abrir o SimForge clique na op o File New Project Escolha um nome para o projeto e selecione o caminho onde o projeto ser criado conforme mostra a figura abaixo 126 C SimForge File Edit View Tools Window Help L Creating project Project name Sistema de Excita o Path CiSmashiExemplos Browse Ok Cancel Figura 50 Criando um projeto novo no SimForge O nome do projeto ser a pasta onde todos os arquivos do projeto ser o armazenados Este deve ser um nome de diret rio v lido e sem caracteres de espa o Clique em OK Ser criado o diret rio do projeto contendo e A pasta JEC 1131 Usado para modelagem em linguagens IEC61131 Essa funcionalidade n o usada pelo Auto FDI e A pasta Modelica onde ser o salvos os arquivos Modelica mo do projeto e A pasta Results para armazenamento dos resul
29. Label Grafico Real Grafico Booleano Alarme Alarme Componente Link Parametros z Criar nova aba Excitador Retificador Crie novas abas e Selecione os parametros a serem listados no Saex Refer ncia de Caminhos tens o gt gt gt gt gt gt gt gt gt gt v fileRead CjDocuments filgRead C Documents te _ Fr fileRead C Documents A filgRead C Documents Ala A F A fileRead C Documents fleRead C Documents fileRead C Documents fileRead C Documents O establizador compreende 6 fileRead w C Documents componentes do modelo So m Estabilizador de sistemas de pot ncia lt Figura 77 Ambiente de diagn stico para o sistema de excita o Antes de iniciar a constru o do ambiente de diagn stico necess rio copiar para o diret rio de instala o do Auto FDI os modelos que criamos anteriormente O modelo do sistema SistemaDeExcitacao mo junto com a pasta arquivos devem ser copiados para a pasta Models e o modelo de detec o MD SistemaDeExcitacao mo para a pasta DetectionModels Feito isto os modelos poder o ser usados na cria o do ambiente de diagn stico e posteriormente na execu o do diagn stico Para iniciar o Auto FDI Editor clique na op o na tela inicial do Auto FDI O Auto FDI Editor ser aberto Depois de abrir o Auto FDI Editor escolha a op o Di
30. Principais pacotes da ferramenta Auto FDI Pacote Descri o framework Define um conjunto de interfaces e classes abstratas para o dom nio de problema de diagn stico de falhas em geral detection Implementa a parte de detec o de falhas do processo de detec o e diagn stico de falhas isolation Implementa a parte de isolamento de falhas do processo de detec o e diagn stico de falhas modelicacommunication Implementa a comunica o do sistema Auto FDI com a ferramenta de modelagem Modelica 91 userinterface Implementa a interface gr fica da ferramenta que inclui o Auto FDI Editor e o Auto FDI Executor exceptions Cont m as classes de exce es do sistema Auto FDI que n o foram implementadas no pacote framework events Cont m as classes de eventos do sistema Auto FDI que n o foram implementadas no pacote framework util Cont m classes utilit rias para todas as outras classes do sistema Auto FDI config Realiza a configura o da ferramenta Tamb m cont m as classes respons veis por instanciar conectar e configurar os componentes de software da ferramenta tests Testa os componentes respons veis pelo funcionamento da ferramenta atrav s de testes de unidades e testes de aceita o Tabela 3 Descri o dos principais pacotes da ferramenta Auto FDI Nas subse es que seguem os pacotes mais relevantes do s
31. componentes de detec o e diagn stico de falhas de inje o de sinais de entrada etc sem necessidade de recompila o do c digo Permite a integra o com ferramentas especializadas em modelagem 110 A valida o da ferramenta foi feita atrav s da realiza o de um estudo de caso por potenciais usu rios e teve como principal objetivo avaliar a satisfa o dos usu rios em rela o a sua utilidade Atrav s de uma situa o de uso real foi poss vel comprovar sua aplicabilidade al m de permitir que melhorias fossem sugeridas O resultado da satisfa o dos requisitos encontra se na se o 7 2 1 Ademais a execu o do estudo de caso por parte do cliente foi particularmente importante para avaliar se os requisitos est o realmente de acordo com suas expectativas Atrav s da utiliza o da ferramenta o cliente pode ter uma maior clareza do que necess rio que a ferramenta fa a para satisfaz lo plenamente O resultado final deste trabalho uma t cnica de isolamento de falhas que pode ser aplicada em qualquer sistema para o qual se disponha de seu modelo estrutural e uma poderosa ferramenta de detec o e isolamento de falhas o que representam contribui es para a rea de detec o e diagn stico de falhas em sistemas Com o Auto FDI poss vel identificar falhas de forma r pida e confi vel e com isso melhorar a efici ncia do processo de detec o e diagn stico Como benef cios diretos pode
32. da do sistema Gertler1998 A diferen a entre falhas e dist rbios est no fato de que queremos detectar as falhas enquanto que desejamos ignorar os dist rbios e n o sermos afetados por eles Os ru dos assim como os dist rbios tamb m s o entradas adicionais desconhecidas mas que possuem um comportamento aleat rio e com m dia zero se a m dia n o for zero s o falhas ou dist rbios Um importante aspecto a ser considerado na detec o e diagn stico de falhas s o os tipos de falhas que podem afetar o sistema De acordo com Isermann2006 podemos distinguir entre os seguintes tipos de falhas e Falhas Aditivas S o falhas que causam uma mudan a na sa da do sistema atrav s da adi o delas mesmas Essa mudan a independe de outras entradas conhecidas veja Figura 2 a e Falhas Multiplicativas S o falhas que causam mudan as em par metros do sistema Essas falhas causam mudan as na sa da que dependem tamb m da magnitude de entradas conhecidas S o representadas pelo produto da falha f t por outra vari vel veja Figura 2 b T a t 0 476 Yu t Y t Yut SO Y t a f t UO a falha aditiva a falha multiplicativa Figura 2 Falha aditiva vs Falha multiplicativa Em rela o depend ncia no tempo as falhas s o classificadas de acordo com a Figura 3 falha falha tempo tempo tempo Falha incipiente Falha abrupta Falha intermitente Figu
33. es de detec o e isolamento de falhas em sistemas A FDI Toolbox possui fun es para auxiliar na constru o do modelo do sistema e tamb m no design de m todos de gera o e avalia o de res duos utilizados na detec o e isolamento de falhas A constru o de uma solu o completa de detec o e diagn stico de falhas usando a FDI Toolbox se d em tr s fases 1 Modelagem do sistema 2 Gera o de res duos 3 Avalia o de Res duos A modelagem do sistema realizada utilizando se a forma de descri o e esquema de modelagem de uma toolbox da Matlab a Control System Toolbox A Control System Toolbox possui ferramentas para analisar projetar e ajustar sistemas lineares A FDI Toolbox estende esta toolbox acrescentando fun es que levam em considera o as falhas presen a de perturba es e incertezas de modelagem Para a gera o de res duos s o disponibilizadas fun es para a realiza o de filtragem de sinais e fun es que implementam m todos de gera o de res duos via observadores de estado e equa es de paridade Para a avalia o de res duos as principais fun es dispon veis s o aquelas para determina o din mica de limiares A FDI Toolbox se ap ia no ambiente de programa o Matlab um software bastante utilizado tanto em institui es de pesquisa quanto na ind stria Com ela poss vel utilizar todos os recursos disponibilizados pelo ambiente Matlab e ainda se ap
34. o do diagn stico Esse rel gio gera eventos do tipo ClockEvent indicando a passagem de uma unidade de tempo Esse evento pode ser observado por qualquer componente que tenha interesse em acompanhar a passagem do tempo ClockListener e Simplicidade e flexibilidade no suporte ao modelo pull e Possibilita um total sincronismo no tempo de toda a aplica o Uma desvantagem pode ser a uma redu o do desempenho uma vez que pode ser gerada uma grande quantidade de eventos para v rios ouvintes Entretanto essa perda de desempenho n o percept vel ao usu rio final da aplica o Os componentes usam o padr o Publish Subscribe Observer para observar os eventos do tipo ClockEvent O fluxo de informa o segue o modelo Pull RFs Realiza o do diagn stico Simula o do diagn stico O fluxo de informa o segue o modelo Pull ou seja quando uma componente necessita de uma informa o este puxa a informa o de outro componente que por sua vez tamb m ir puxar a informa o desejada e assim sucessivamente formando uma rede de fluxo de informa o O modelo Pull se op e ao modelo Push onde a informa o empurrada para os Interessados 53 Vantagens Desvantagens Observa es 15 Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es 16 Decis o Drivers e O modelo Pull tem menor acoplamento do que o modelo Push pois o modelo Push sup e que o source
35. suporte linguagem Modelica como por exemplo Dymola Dym ou MathModelica MathMod importante ressaltar que o Auto FDI utiliza o 79 OpenModelica para compilar e executar os modelos internamente Dessa forma poss vel que modelos criados em ferramentas que utilizem outro compilador n o executem no Auto FDI devido incompatibilidade de vers o da linguagem Modelica A Figura 31 ilustra a tela principal do SimForge No lado esquerdo encontra se a janela de navega o de componentes que permite acessar os componentes Modelica dispon veis para montagem dos modelos Esses componentes s o arrastados para a rea de montagem do modelo na rea central da tela F SimForge C Temp SistemaDeExcitacao DER File Edit View Tools Window Help ge C3 ape El 4 ape Be wi diagram SistemaDeExcitacao 1 J Modelica amp 5 Used external packages CH Modelica classes 3 SistemaDeExcitacao LZ Modelica files 3 SistemaDeExcitacao mo IEC61131 3 3 Simulation result Figura 31 Tela principal do SimForge Mais detalhes sobre o SimForge s o fornecidos no ap ndice C deste documento 6 1 2 Auto FDI Editor O Auto FDI Editor ou simplesmente Editor a interface para a cria o do ambiente de diagn stico O ambiente de diagn stico a interface usada pelos operadores para a realiza o do diagn stico de sistemas O Editor permite entre outras fun
36. vel dado o n vel de detalhes do modelo Deve ser poss vel realizar o diagn stico em sistemas com at 1000 componentes em no m ximo 10 segundos RF 14 Controle de execu o do diagn stico Durante a execu o do diagn stico deve ser poss vel e Parar pausar e reiniciar a execu o a qualquer momento e e Controlar a velocidade do tempo da execu o RF 15 Simula o do diagn stico A ferramenta deve permitir a simula o do diagn stico para fins de valida o Deve ser poss vel injetar falhas no sistema durante a simula o 39 RF 16 Exposi o de funcionalidade A ferramenta deve expor a funcionalidade relacionada ao processo de detec o e diagn stico de falhas permitindo e a integra o com outras ferramentas 4 3 2 Requisitos n o funcionais Os principais requisitos funcionais s o Requisitos de Custo RNF 1 Hardware A ferramenta deve ser execut vel em plataforma de hardware de baixo custo tipo microcomputador com processador de desempenho m dio tipo Pentium 4 3 GHz com processador nico com mem ria de 1 GB RNF2 Software b sico A ferramenta deve ser execut vel em plataforma de software Windows Requisitos de Manutenibilidade RNF3 Arquitetura extens vel A ferramenta deve possuir uma arquitetura que permita ser estendida facilmente com a adi o de novos componentes funcionais A adi o de componentes poder ser feita por terceiros sem necessidade de r
37. 3 Computa o de PS saias b d EN Oe I aS 32 AC Levantamento de requisitos e soe tere te vertat roe eri en qe da Ree ds 34 4 Descri o geral da ferramentas oaa so Gut ea ec eed 34 4 2 Usu rios da ferramenta cuisine epe e Remake rd 35 4 3 Requisitos oso dete a peii vat eco vu bip ae 36 4 3 1 Reguisitos FUNCIONAIS uidet ioi a a e se uti TA bod ea PH OE do UM pde 37 4 3 2 Requisitos n o funcionais iuo eode egere Gets ino eno ted ere tice utens 40 S5 Projeto argute CUTAN ois oe LO nd oa rti rae pat e s oe O 42 5 1 Requisitos arquiteturais cama pena aaa SL ee OS 42 5 2 Decis es de projeto de atquitetura c oen esp eee reete pde ot aee essi 43 5 33 Estrutura da arquitetura E es as dud EC esr era aC RU TRU 57 5 3 1 M dulos principals aec pene e cer ha tens a ra matos 57 5 3 2 EMEA CES DO SISTI sss cg oe RO e deena ntnealdd oespeeees nae liba ip Ue 64 vii 3 3 3 Interfaces dos Componentes Modelica sse 70 54 Comportamento DIN MICO luas it dr eec ipt de e ied a 72 6 Projeto detalhado e aspectos de implementag o ssssssssssss 78 6 1 Interface CONTO USU RIO 1 stessa siet acaso GLS AS psdb qa 78 6 1 1 SAT OPDE dem teer a tu ae e ance pdt uc D uS 79 6 1 2 Mos PDT EHE eec eae Se hah Sa tb rac eb pen ute sta due due 80 6 1 3 A to FDT EXecutok ta osten as RSS ROMS EINER bee E eR NU 83 6 2 Bibliotecas de componentes Modelica eee 84 6 2 1 Biblioteca Padr o Modelica w ie i ard
38. DIAG uma ferramenta de DDF poderosa que permite a an lise de falhas em sistemas complexos de v rios setores da ind stria No entanto essa ferramenta apresenta algumas desvantagens dentre as quais destacamos 116 e A ferramenta n o facilmente extens vel Embora seja poss vel estender a ferramenta com a adi o de novos m todos de detec o e diagn stico a extens o feita diretamente no c digo Alternativamente uma arquitetura componentizada que permitisse a extens o da ferramenta de forma mais f cil sem a necessidade de recompila o do c digo fonte seria uma estrat gia mais adequada e A cria o de uma solu o de diagn stico utilizando a ferramenta requer um conhecimento profundo do processo de detec o e diagn stico de falhas A ferramenta deveria prover meios para guiar o usu rio na constru o de solu es de diagn stico como por exemplo atrav s de Wizards 1 2 AMandD O AMandD Advanced Monitoring and Diagnostic System permite a realiza o de tarefas avan adas de supervis o e diagn stico em processos industriais complexos de v rios setores da industria O AMandD uma ferramenta do tipo stand alone possibilitando por m a integra o com sistemas DSS As seguintes funcionalidades est o presentes na ferramenta e Modelagem com o uso de m todos de identifica o de modelos como por exemplo m todo Least Squares LS al m de m todos baseados modelos te ricos como
39. Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes 2006 Wikipedia Depth first search Wikipedia The Free Encyclopedia acessado em maio de 2008 Deb S Pattipati K R Raghavan V Shakeri M Shrestha R Multi signal flow graphs a novel approach for system testability analysis and fault diagnosis Aerospace and Electronic Systems Magazine IEEE vol 10 no 5 pp 14 25 May 1995 S Dash V Venkatasubramanian Challenges in the industrial applications of fault diagnostic systems In Process Systems Engineering PSE 2000 Computers and Chemical Engineering vol 24 2000 pp 785 791 Dymola site http www dynasim se Extended Petri Net site http www modelica org libraries ExtendedPetriNets Frisk E Krysander M Nyberg M Aslund J A toolbox for design of diagnosis systems Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes 2006 Fowler Martin Scott Kendall UML Distilled Addison Wesley 1997 Fang Tu Pattipati K R Deb S Malepati V N 178 Freyumuth1991 Fritzson2004 Germoglio2008 Gertler1998 GHJV 1995 GSHC2006 IB1997 Isermann2004 Isermann2006 IU1993 Computationally efficient algorithms for multiple fault diagnosis in large gra
40. Model do menu ou no cone S na barra de ferramentas Se n o houver erros no modelo ir aparecer a mensagem abaixo e o modelo est pronto para ser simulado 141 Message 1 Check of SistemaDeExcitacao successful model SistemaDeExcitacao has 43 equation s and 43 variable s 26 of these are trivial equation s Figura 67 Mensagem de verifica o de erros no modelo Sem erros Para simular o modelo no SimForge clique na op o Tools Simulate do menu ou no icone MI na barra de ferramenta Informe os valores O e 10 para o tempos inicial e final respectivamente conforme ilustra a figura abaixo Start time Stop time Number of intervals Output interval Method Tolerance Fixed step size Cancel Figura 68 Op es para simula o do modelo Clique em OK Os gr ficos com o resultado das simula es podem ser visualizado clicando em Simulation Result na janela do lado esquerdo do SimForge poss vel escolher entre qualquer vari vel do modelo quais ser o plotadas no gr fico A Figura 69 mostra o resultado da simula o para o modelo do sistema de excita o 142 F SimForge C Smash Exemplos SistemaDeExcitacao File Edit View Tools Chart Window Help x OehBe a AA IINA HE S SistemaDeExcitacao Ic 5 Simulation Result 1 o Modelica files ja 3 J IEC61131 3 Title 0 5 Simulation result
41. Services Web Services ISmartDiagWs T Web Services Defini o WSDL ne ISmartDiagAPI Comentario Figura 28 Arquitetura Web Services Para facilitar a integra o do Auto FDI com outros sistemas de forma independente de plataforma a interface SmartDiagAPI exposta como Web Services decis o 20 gerando a interface SmartDiagWs A defini o do servi o realizada por um arquivo WSDL Web Service Definition Language A implementa o do Web Service pode ser realizada de forma manual ou atrav s de ferramentas que a produzem semi automaticamente a partir do arquivo WSDL 5 3 2 Interfaces do sistema As interfaces importantes do sistema Auto FDI s o descritas a seguir Interface ClockListener Descri ao Permite que um componente receba um evento de rel gio SERVI OS e clock ClockEvent event recebe um evento de rel gio inipiementado Isolador ModelicaProxy por Observac es e O que feito ao receber um evento de rel gio depende do componente receptor N o h sem ntica associada ao evento de rel gio em si e Um evento de rel gio qualquer evento que contenha um 64 timestamp marcador de tempo Interface IModelDetection Deseri o Permite obter informa es sobre o modelo estrutura do modelo vari veis par metros etc e sobre resultado da simula o do modelo Servi o
42. T T T T L Novo diagnosticador ri getModels getModels i getinfo LI I I Cen rio Escolha das vari veis a serem exibidas nos gr ficos Especifica o Caso de Uso Escolha das vari veis a serem exibidas nos gr ficos Descri o Durante a cria o edi o de uma ambiente de diagn stico poss vel adicionar gr ficos que ser o exibidos durante a realiza o do diagn stico Ao adicionar um gr fico o usu rio define as vari veis que ser o exibidas no mesmo Atores Usu rio Final criador de diagnosticadores Etapas 1 exibida uma lista de todas as poss veis vari veis do Modelo do Sistema e do Modelo de Detec o 2 O usu rio escolhe quais as vari veis que ser o exibidas no gr fico 73 Modelo de intera o Usu rio BEEN IModelicaCommuni e SACIGPSS das vari veis do Fa adeSmartDiag ERA OMC Modelo Modelica gr fico RA LES T T T T T T escolhe gr fico getAllVars getAllVars o getinfo i getinfo vars vars Cen rio Altera o dos par metros dos componentes do modelo Modelica Especifica o Caso de Uso Altera o dos par metros dos componentes do modelo Modelica Descri o Os par metros dos component
43. a montagem da interface no Editor Os par metros que n o estiverem na aba Todos poder o ser alterados em cada execu o do diagn stico Na parte superior encontra se a barra ferramenta de execu o do diagn stico que permite iniciar pausar e parar a execu o Tamb m existem op es para definir o tempo de simula o o intervalo de amostragem de dados e o controle da velocidade de simula o No lado direito da tela temos a janela de exibi o de falhas Nessa janela s o exibidos detalhes sobre os componentes do sistema que apresentarem falha Observe tamb m na figura os componentes de alarmes indicando a presen a de uma falha no sistema no Gerador e a propaga o da falha atrav s dos componentes interligados ao Gerador 83 gt Smart Diagnostics Executor Diagn sticos Ajuda intervalo barra e W tempo tempo 10 18 d inicial 0 final de L UM de g Par metros Visualiza o real dos componentes Gr ficos Visualiza o do modelo Tempo Falha tempo 0 Componente s reallnput tempo 1 Componente s aom Gerador tempo 1 Componente s Todos Falhas reallnput Falha no inicio do estabilizador g tempo 2 Componente s Falha no excitador reallnput T tempo 3 Componente s 2 ili nm x reallnput Falha no fim do estabilizador 0 FS lese dimer Falha no gerador E eal ie reallnput L m tempo 5 Componente s Falha no Regulador 1 Es reallnput tempo 6 C
44. amp V de software o processo que visa garantir que o software desenvolvido atende a sua especifica o verifica o e que ele satisfaz as expectativas do cliente valida o Sommerville2004 Em outras palavras verifica o envolve constatar que o software est sendo desenvolvido de acordo com os requisitos funcionais e n o funcionais especificados enquanto que valida o tem como finalidade mostrar que o software faz realmente o que o cliente espera T cnicas de verifica o e valida o incluem revis es de requisitos revis es de projeto inspe es de c digo e testes avalia o de usu rios entre outras Embora as t cnicas de inspe es e revis es tenham sido usadas durante o desenvolvimento do Auto FDI a verifica o da ferramenta foi caracterizada principalmente por testes de software A metodologia de testes adotada descrita na se o 7 1 A valida o da ferramenta por sua vez foi feita atrav s da realiza o de um estudo de caso por potenciais usu rios da ferramenta A valida o teve como principal objetivo avaliar a satisfa o dos usu rios em rela o utilidade da ferramenta N o objetivo deste trabalho fazer uma valida o rigorosa da ferramenta No entanto uma situa o de uso real da ferramenta demonstrou sua aplicabilidade e permitiu com que melhorias fossem sugeridas A se o 7 2 apresenta a metodologia de valida o adotada e os resultados obtidos 7 1 Metodologia de teste
45. ao diagn stico de falhas em sistemas com nfase em t cnicas baseadas em modelos A terminologia adotada encontra se no ap ndice A 2 1 Introdu o Uma falha pode ser definida como um desvio de pelo menos uma caracter stica pr pria ou vari vel de um sistema IB1997 Essas falhas podem levar a um funcionamento inaceit vel dos sistemas podendo acarretar elevadas perdas econ micas e dependendo do processo trazer consequ ncias desastrosas para a sociedade e para o meio ambiente Portanto importante identificar eventuais falhas o mais r pido poss vel para que a es corretivas sejam tomadas Tais fatores justificam o crescente interesse por sistemas de apoio detec o e ao diagn stico de falhas O processo de detec o e diagn stico de falhas DDF tamb m chamado an lise de falhas consiste em tr s fases Gertler1998 e Detec o de falhas Indica o da presen a de falha s e o instante de detec o e Isolamento de falha Determina o da localiza o da s falha s e Identifica o de falhas Determina o do tamanho e tipo da s falha s Refere se s fases de detec o e isolamento de falhas conjuntamente como diagn stico de falhas Na pr tica por m a fase de identifica o de falhas embora til pode n o justificar o esfor o necess rio Assim a maioria dos sistemas de DDF inclui apenas duas fases detec o e isolamento Isermann2006 De fato na maioria dos casos sistemas
46. da composi o de componentes de uma biblioteca de sub modelos e fun es Deve ser poss vel criar os seguintes tipos de modelos e Modelos l gicos booleano e Modelos cont nuo est tico representado por equa es alg bricas e Modelo cont nuo din mico representado por equa es diferenciais e Modelo de eventos discretos e Modelo probabil stico e Modelo representado por redes de Petri e Modelos representados por m quina de estados finitos Coment rios Ao inv s de reinventar a roda o Auto FDI utilizou o SimForge como ferramenta de cria o e execu o de modelos Conforme j discutido o SimForge permite criar os modelos visualmente atrav s da composi o de componentes veja se o 6 1 1 Os modelos s o descritos usando a linguagem Modelica que permite a cria o de modelos usando v rios tipos de formalismo incluindo os tipos de modelos elencados no requisito veja se o 6 2 Embora n o esteja incluso no estudo de caso a cria o de todos os tipos de modelos listados no requisito eles foram criados ao longo do desenvolvimento da ferramenta e est o disponibilizados em sua biblioteca de componentes no pacote Diagnostics Examples Tamb m foram disponibilizadas v rias bibliotecas para facilitar a cria o desses modelos veja se o 6 2 Os usu rios da ferramenta se mostraram extremamente satisfeitos com a implementa o deste requisito principalmente por adotar uma linguagem de
47. de tipos incompat veis Coment rios A verifica o de inconsist ncias feita pela pr pria ferramenta de modelagem durante a cria o do modelo A tela abaixo ilustra a indica o de inconsist ncia durante a cria o de um modelo onde a sa da do componente const tipo real incompat vel com a entrada do componente booleanToReal tipo booleano 99 const booleanToReal B R k 1 connect const y booleanToReal u A Incompatible types for the connectors Nai Unit Description Name Unit Description E booleanT oReal Connector of Real output signal lu Connector of Boolean input signal Connection connect const y booleanT oReal u Label connection to bus connector Figura 44 Verifica o de inconsist ncias no modelo RF 6 Execu o de modelos A ferramenta dever permitir a execu o do modelo atrav s da inje o de sinais de entrada e observa o de sinais de sa da Para executar um modelo deve ser poss vel fornecer valores para os par metros A execu o de modelos pode se apoiar em ferramentas especializadas como por exemplo SimForge Dymola Coment rios A execu o de modelos feita no SimForge embora possa usar outra ferramenta que d suporte a linguagem Modelica como por exemplo Dymola ou MathModelica Para a inje o de sinais de entrada no modelo s o usados componentes Modelica especiais chamados adaptadores veja decis es arquite
48. dia zero Res duo Um indicador de falha baseado na diferen a entre os valores medidos e valores obtidos de um modelo Sintoma A diferen a de uma quantidade observ vel de um comportamento normal 2 Fun es Detec o de Falha Indica o da presen a de falha s e o instante de detec o Isolamento de Falha Determina o da localiza o da s falha s realizado depois da detec o de falha Identifica o de Falha Determina o do tamanho e tipo de uma falha realizado depois do isolamento de falha 113 Diagn stico de Falha Determina o do tipo tamanho localiza o e instante de detec o de uma falha Vem depois da detec o de falhas Inclui isolamento e identifica o de falha Monitorar Tarefa cont nua realizada em tempo real com o prop sito de determinar as condi es de um sistema atrav s do registro de informa o e do reconhecimento e indica o de anomalias em seu comportamento Supervisionar Monitorar um sistema e tomar a es apropriadas para manter a opera o no caso de falhas Prote o Meios pelo qual um comportamento potencialmente perigoso de um sistema suprimido caso seja poss vel ou meios pelo quais as conseq ncias de um comportamento perigoso s o evitadas Modelos Redund ncia anal tica Uso de mais de um n o necessariamente id ntico meio para determinar o valor de vari vel do sistema onde um meio usa um modelo matem tico na fo
49. eficiente para este problema A solu o utiliza m todos de relaxamento de Langrangian e otimiza o de subgradiente No entanto por apresentar resultados probabil sticos esta solu o pode n o ser aceit vel em determinados contextos Para facilitar a compreens o do problema do isolamento de falhas apresentamos alguns exemplos a seguir A Figura 14 o FPM de um determinado sistema onde todos os componentes est o equipados com alarme e o componente 4 tem falhas Observe que a falha se propagou pelos componentes C e D Figura 14 Exemplo de um FPM para um determinado sistema Em uma situa o como esta seria necess rio na pior das hip teses testar fisicamente todos os componentes do sistema exceto o componente B que n o apresentou sintomas de falhas para identificar o componente com falha Obviamente o tempo e o custo para testar fisicamente um componente do sistema s o geralmente bastante elevados Ainda na maioria das vezes necess rio interromper o processo de produ o para verificar o componente causando grandes preju zos econ micos Por este motivo o isolamento de falhas visa reduzir o n mero de testes identificando o conjunto de potenciais fontes de falhas Nesse exemplo poss vel 24 inferir que o componente 4 a fonte de falhas e que os sintomas de falhas apresentados pelos componentes B e C s o devido propaga o da falha originada no componente A Consider
50. estado e equa es de paridade e m todos que utilizam modelos de redes neurais e l gica fuzzy entre outros Exemplos de m todos baseados em modelos de sinais incluem Filtros passa faixa Bandpass filters an lise de espectro Spectral analysis e estimativa de entropia m xima Maximum entropy estimation Uma s ntese de diversos m todos de detec o e diagn stico de falhas e uma an lise comparativa entre eles podem ser encontrados em Isermann2006 2 3 2 A fase de diagn stico de falhas O diagn stico de falhas consiste na determina o do tipo tamanho localiza o e instante de detec o de uma falha IB1997 Esta fase utiliza os sintomas gerados na fase de detec o de falhas sintomas anal ticos bem como sintomas obtidos atrav s da observa o do sistema por especialistas sintomas heur sticos Os sintomas anal ticos s o valores quantitativos enquanto que os sintomas heur sticos s o geralmente valores qualitativos representados por exemplo atrav s de express es ling sticas barulho alto muita fuma a etc importante portanto obter uma representa o unificada desses sintomas para facilitar o processamento dos mesmos pelo sistema de diagn stico Esse processo chamado de unifica o de sintomas ilustrado na Figura 7 T3 vari veis res duos sintomas sintomas bs falhas medidas gerados anal ticos unificados Gera o de Avalia o de Res duos Res duos
51. m quinas s ncronas Al m disso os sistemas de excita o realizam fun es de controle e prote o atrav s do controle da tens o e consequentemente da corrente da m quina Tais fun es s o essenciais para o desempenho adequado dos sistemas de pot ncia 1 2 Iniciando o Auto FDI Ao iniciar o Auto FDI ser exibida a seguinte tela 54 Auto FDI Chesf Companhia Hidro El trica do S o Francisco Auto FDI Auto FDI Editor Executor Figura 49 Tela inicial do Auto FDI Esta tela o ponto de partida para a escolha entre os tr s ambientes de execu o do Auto FDI A saber Uma descri o esse sistema pode ser encontrada em 1 O modelo para o sistema foi obtido de 2 1 Larsson M ObjectStab an educational tool for power system stability studies IEEE Transactions on Volume 19 Issue 1 Feb 2004 Page s 56 63P 2 Kundur Power System Stability and Control ser Power System Engineering Series McGraw Hill New York 1994 125 e SimForge Editor para a cria o e execu o do modelo que descreve o sistema e do modelo de detec o de falhas e Auto FDI Editor Para cria o do ambiente de diagn stico e Auto FDI Executor Para execu o do diagn stico E importante ressaltar que esses ambientes s o usados geralmente por diferentes usu rios de acordo com o perfil de cada usu rio Por exemplo podemos ter um perfil de usu rio modelador que usar o SimForge para a cria
52. o Model View Controller MVC GHJV1995 conforme mencionado na decis o arquitetural 2 O padr o MVC ilustrado no diagrama abaixo O controlador recebe eventos gerados pela interface do usu rio Vis o e mapeia para chamadas l gica de neg cio exposta atrav s da interface ISmartDiagAPI Ao receber resposta o controlador atualiza a vis o obtendo os dados da l gica Alternativamente mudan as na l gica de neg cio podem gerar eventos para a vis o que se encarrega de atualizar se utilizando os dados da l gica de neg cio recebidos no evento 59 Controlador ISmartDiagAPI L gica de Neg cio Figura 24 Padr o Model View Controller Obs as linhas s lidas indicam associa o direta e as tracejadas indicam associa o indireta padr o observer por exemplo Diagrama L gica de neg cio L gica de Neg cio O ISmartDiagAPI Ferramerg de Modelagem Arquivos de Saidas dos Sistemas Modelioa Adap Isolation Sener Detectionl kaner Cpu inr md DeteotionObeen d OutpstObeer An Clock Figura 25 Arquitetura L gica de neg cio de on Coment rio A l gica de neg cio a parte do Auto FDI que implementa as principais funcionalidades do sistema Ela encarregada de gerar o resultado do diagn stico atrav s da an lise de dados oriundos de um sistema real ou provenientes de simula o Na l gica de neg cio s o tratadas q
53. res duos conforme ilustra o figura abaixo Ao selecionar um par metro para a nova aba ele ser retirado da aba Todos Tamb m poss vel renomear a aba utilizando a fun o no lado direito da aba ES Adicionar Parametros na Aba Sel C sistemaE xcitacao vsmin reall oBoolean threshold realToBooleanl threshold realT oBoolean2 threshold realT oBoolean3 threshold realT oBooleand threshold realT oBoolean5 threshold realT oBooleanB threshold reall oBoolean8 threshold reall oBooleand threshold realT oBooleant 0 threshold realT oBooleanl1 threshold realT oBoolean threshold C leitorDoSistemaDeE citacao pa v ES JES JS ES ES ES ES S ES ES ES Figura 91 Auto FDI Editor Adicionando par metros em uma nova aba Por fim vamos salvar o ambiente criado Para salvar utilize a op o Salvar ou Salvar Como no menu Diagn sticos e escolha o diret rio onde a aplica o ser salva Na se o seguinte iremos usar o ambiente de diagn stico criado para realizar o diagn stico no sistema de excita o 1 6 Realiza o do diagn stico e avalia o dos resultados 160 Agora vamos utilizar o ambiente criado no Auto FDI Editor para realizar o diagn stico para o sistema de excita o A realiza o do diagn stico feita no Auto FDI Executor Para iniciar o Auto FDI Editor clique na op o Executor na tela inicial do Auto FDI O Auto FDI Executor ser aberto
54. retornado o conjunto S ci C2 cs como sendo o menor conjunto com pelo menos um componente com falha 2 Os componentes de S seriam testados fisicamente O componente cs seria reparado ou substitu do ao se constatar que ele cont m falhas 3 O algoritmo seria executado novamente retornando dessa vez o conjunto S C4 cu 4 Os componentes de S seriam testados O componente cs seria reparado ao constatar que ele apresenta falha 5 O algoritmo ent o seria finalizado uma vez que o sistema n o mais apresentaria falhas Atrav s desse exemplo fica f cil perceber que o diagn stico operativo n o d suporte prioriza o ou paralelismo na repara o dos componentes com falhas Por exemplo n o seria poss vel reparar o componente cs antes de reparar o componente c ou reparar os dois componentes ao mesmo tempo Essa caracter stica pode impossibilitar a aplica o do diagn stico operativo em v rios contextos 27 J com o isolamento autom tico seria retornado o conjunto Ps cl c2 c5 4 c2 c3 c6 c7 c10 c3 c4 c7 c11 63 c4 c7 c8 c12 O ap ndice D apresenta outros exemplos com v rias configura es de modelos de propaga o de falhas e o respectivo resultado do isolamento 3 4 O algoritmo de Isolamento Autom tico de Falhas Nesta se o apresentamos o algoritmo do Isolamento Autom tico de Falhas O algoritmo recebe como entrada o FPM do sistema que cont m os sintomas do
55. sistema o componente de sistema a qual esse componente est associado uma fonte potencial de falhas Os alarmes de componentes tamb m assumem a cor vermelha na presen a de falhas durante o diagn stico A diferen a entre alarmes de sintoma e alarmes de componentes pode ser evidenciada ao observar a Figura 34 obtida durante a execu o do diagn stico no Executor Como podemos observar na figura somente o Gerador realmente uma fonte potencial de falha estado vermelho Isso porque os sintomas de falha apresentados pelos outros equipamentos Regulador Excitador e Retificador s o possivelmente devido propaga o da falha do Gerador nestes componentes 82 Gen an P a e E le A e a fifi A A m YAN 9 c ae Patas ra de Vendo ui e E stab zador de schema Se pot rcas 1275 7 Dette ates O en tablt dor compseende componentes do modelo Figura 34 Auto FDI Editor Diferenca entre os componentes de alarme Mais detalhes sobre o Auto FDI Editor podem ser obtidos no ap ndice C deste documento 6 1 3 Auto FDI Executor O Auto FDI Executor ou simplesmente Executor a interface criada com o Editor e onde de fato realizado o diagn stico A Figura 35 mostra a tela principal do Executor obtida durante a realiza o do diagn stico em um determinado sistema No lado esquerdo da tela s o listados os par metros do modelo que foram escolhidos durante
56. sistemas com uma nica entrada e uma nica sa da single input single output SISO os sistemas com uma nica entrada e m ltiplas sa das single input multi ouput SIMO e os sistemas com m ltiplas entradas e m ltiplas sa das multi input multi output MIMO a SISO C MIMO Figura 10 Classifica o de sistemas de acordo com a quantidade de entradas e sa das 2 4 1 Modelos te ricos vs modelos experimentais Os modelos podem ser classificados em modelos te ricos ou modelos experimentais Nos modelos te ricos tamb m chamados modelos caixa branca as 17 equa es s o formuladas atrav s da an lise das leis f sicas que regem o sistema Nesse m todo cada elemento do sistema analisado separadamente e suas equa es s o formuladas O modelo ent o representado pelo conjunto de equa es desses elementos Normalmente s o feitas simplifica es sobre o sistema atrav s de lineariza o redu o da ordem da modelo etc Os modelos experimentais tamb m chamados modelos caixa preta s o obtidos atrav s de medi o das vari veis de entrada e de sa da do sistema A partir da medi o dessas vari veis e com a utiliza o de m todos de identifica o s o obtidas as equa es do modelo V rios m todos de identifica o de modelos s o propostos na literatura a exemplo do m todo de Least Squares LS Isermann2006 Durante a modelagem do sistema uma t cnica que pode ser ut
57. um outro fator agravante no isolamento de falhas fato de que geralmente certos componentes do sistema n o s o observados ou seja n o possuem sensores ou alarmes e portanto n o poss vel conhecer o estado destes componentes com falhas ou sem falhas Diante do exposto caracteriza se a necessidade de uma abordagem de isolamento de falhas que considere tanto a propaga o de falhas no sistema quanto a falta de informa o sobre o estado de certos componentes V rias t cnicas t m sido propostas na literatura para a solu o de diversos problemas de isolamento de falhas em SS2004 feita uma an lise das principais t cnicas usadas nos ltimos anos Entre elas as t cnicas baseadas em grafo t m despertado um grande interesse devido a sua efic cia e grande aplicabilidade T cnicas de isolamento de falhas baseadas em grafo utilizam um modelo chamado 19 frequentemente de modelo de propaga o de falha Fault Propagation Model FPM em ingl s Esse modelo ser descrito na se o seguinte 3 2 Modelo de propaga o de falhas Um exemplo de um FPM bastante usado o apresentado em Rao 1993 onde os v rtices do grafo representam os componentes do sistema e as arestas representam a propaga o de falhas entre esses componentes Alguns dos v rtices s o equipados com alarmes que disparam quando ocorre uma anormalidade no componente A Figura 11 a mostra um sistema de esfriamento de cido
58. v e Ar visitando as arestas com marca o F ou Ind aresta com marca o OK porque a falha n o se propagou Durante o caminhamento no grafo todos os v rtices visitados s o adicionados em Cr exceto o v rtice v O caminhamento em profundidade no grafo pode ser realizado em tempo O n e DFS Logo essa etapa do algoritmo realizada em tempo O k n e onde k Ar e n e e s o respectivamente o n mero de v rtices e o n mero de arestas do grafo Uma vez obtido Cr o conjunto Br Ar Cr obtido em tempo O n Assim temos que Br obtido em tempo O ka n e 3 4 3 Computa o de Ps onde de fato realizado o isolamento de falhas identificando o conjunto Ps realizado em duas etapas Primeiro computado o conjunto Pso Fi F2 Fko onde k Br Cada conjunto Fi obtido atrav s de um caminhamento em profundidade no Grafo Gr no sentido inverso das arestas partindo de vi e Br e caminhando pelas arestas com marca o Ind Os v rtices visitados s o ent o adicionados no conjunto Fi Tendo em vista que o caminhamento em profundidade no grafo feito em tempo O n e onde n o n mero de v rtices e e o n mero de arestas do grafo DFS essa primeira parte do algoritmo realizada em tempo O kp n e onde kp Br A 32 segunda parte que consiste em expandir os v rtices condensados de Ps feito em tempo O n Ent o temos que o conjunto Ps o
59. 13 N o N o N o N o C14 N o Sim N o N o Tabela 4 Quadro comparativo das ferramentas 122 Ap ndice C Manual da ferramenta Este ap ndice apresenta uma demonstra o do Auto FDI atrav s de um exemplo completo que envolve desde a cria o de um modelo do sistema at a an lise dos resultados do diagn stico Este documento n o tem como objetivo explorar todas as funcionalidades do Auto FDI mas sim prover um guia pr tico para uso da ferramenta 1 1 Vis o Geral do Auto FDI O Auto FDI utiliza t cnicas baseadas em modelos para realiza o do diagn stico de falhas A id ia b sica consiste em comparar sinais obtidos de um sistema com valores esperados obtidos de um modelo A diferen a entre esses valores os res duos s o ent o usados para identificar poss veis falhas no sistema A cria o de uma solu o de diagn stico usando o Auto FDI envolve as seguintes etapas 1 Cria o do modelo que descreve o sistema 2 Cria o do modelo de detec o que compreende a gera o e avalia o de res duos 3 Cria o do ambiente de diagn stico ou seja a defini o da interface gr fica que o operador ir utilizar para realizar o diagn stico 4 Execu o do diagn stico e avalia o dos resultados Os modelos usados na ferramenta N o s o modelo que descreve o sistema como tamb m o modelo de detec o de falhas s o descritos usando a linguagem
60. 2 Figura 87 Escolhendo as vari veis a serem plotadas no gr fico 157 E poss vel posicionar e redimensionar os gr ficos conforme desejado A Figura 88 mostra os gr ficos adicionados na aba EB Editor Smart Analysis Diagn sticos Pictures Visualiza o real dos componentes Imagem Label Grafico Real s Vari vel 1 e Grafico Booleano Vari vel 2 Alarme Alarme Componente Link Gr fico Booleano Gr ficos Gr fico Real Parametros Crie novas abas e Selecione os parametros a serem listados no Saex Caminhos PR fleReac C Dacuments as fileReac C Documents la fileReac C Dacuments ta ffleReac C Documente A fileReac C Documents ta fileReac C Documents lA fileReac C Documents A fileReac C Documents fa fileReac v C Documents LA lt gt lt gt Figura 88 Auto FDI Editor Adi o de gr ficos Em uma terceira aba vamos colocar uma nica imagem com a representa o visual do modelo na linguagem Modelica A imagem foi obtida atrav s de um printscreen do modelo no SimForge Em cima dessa imagem iremos colocar em lugares apropriados componentes do tipo Alarme conforme ilustra a Figura 89 158 Gr ficos Visualiza o do modelo wales 3x Varr o AVR Sum Limiter Uu S bjs i imal P4 a s bk uMax 1 PSSGain WashOut Phase Compensation Phase Compensati
61. 4 Auto FDI Chesf Companhia Hidro El trica do S o Francisco Auto FDI Auto FDI Editor Executor Figura 30 Tela inicial da ferramenta Auto FDI 6 1 1 SimForge O SimForge uma ferramenta gratuita de c digo aberto que permite a modelagem e simula o de sistemas dos mais diversos campos da engenharia tais como mec nica el trica hidr ulica termodin mica controle etc Os modelos s o criados usando a linguagem de modelagem Modelica Internamente o SimForge utiliza o compilador OpenModelica o mesmo compilador Modelica usado pelo Auto FDI Com o SimForge poss vel modelar sistemas de forma r pida e intuitiva atrav s da composi o de modelos em um editor gr fico Modelos e fun es est o dispon veis atrav s de uma biblioteca de componentes altamente reus veis Ele j vem com a Biblioteca Padr o Modelica Modelica Standard Library uma extensa biblioteca com mais de 780 modelos de componentes gen ricos e 550 fun es multiprop sito al m de permitir facilmente a extens o de sua biblioteca de componentes Essa biblioteca ser descrita na se o 6 2 1 Em adi o Biblioteca Padr o Modelica o Auto FDI disponibiliza outras bibliotecas para facilitar a cria o de modelos utilizados no diagn stico a saber ExtendedPetriNet ObjectStab e Diagnostics descritas nas se es 6 2 3 6 2 2 e 6 2 4 respectivamente Embora a cria o dos modelos possa ser feita usando qualquer outra ferramenta que d
62. I l i I chama i chama l T OOE al EPEE a PODES NEN Resultado do comando Resulado do comando Execu o de testes de aceita o Especifica o Mecanismo Execu o de testes de aceita o Descri o Testes autom ticos s o realizados por um testador para verificar se as funcionalidades do sistema foram devidamente implementadas Atores envolvidos Usu rio testador prim rio Etapas 1 O usu rio testador inicia os testes da l gica de neg cio usando o programa NUnit 2 Os resultados dos testes s o exibidos para o 76 testador Modelo de intera o Usu rio Testador i Classes de testes FacadeSmartDiag ae Eee NUnit Classes de testes Fa adeSmartDia T T T T ete l I Inicia testes roda as classes de testes I Acessa o sistema Resultado dos testes 6 Projeto detalhado e aspectos de implementa o Cap tulo 6 Este cap tulo tem como objetivo apresentar o projeto detalhado e aspectos de implementa o da ferramenta Auto FDI No discorrer do cap tulo ser o apresentadas considera es sobre a interface com o usu rio da ferramenta se o 6 1 sobre as bibliotecas Modelica disponibilizadas pela ferramenta para constru o de modelos se o 6 2 e por fim sobre a organiza o da ferramenta em estrutura de pac
63. Isermann R Ulieru M Integrated fault detection and diagnosis Systems Man and Cybernetics 1993 Systems 179 KKKC2004 KSW2006 Mod ModelicaLibrary Mono Munoz1996 NCover NUnit ObjectStab OMSD2004 OpenMod Pontes2008 Engineering in the Service of Humans Conference Proceedings International Conference on vol no pp 743 748 vol 1 17 20 Oct 1993 Korbicz J Koscielny J M Kowalczuk Z Cholewa W Fault Diagnosis Models Artificial Intelligence Applications Springer 2004 Koscielny J M Syfert M Wnuk P Advanced Monitoring and Diagnostic System AMandD IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes 2006 Modelica and the Modelica Association site http www modelica org Modelica Standard Library 3 0 1 site http www modelica org libraries Modelica Mono 2 4 site http mono project com Mu oz San Roque A Aplicaci n de T cnicas de Redes Neuronales Artificiales lo Diagn stico de Procesos Industriales Tesis doctoral Escuela T cnica Superior de Ingenieros Industriales ICAT Universidad lontif cia Comillas NCover site http www ncover com NUnit site http www nunit org ObjectStab 1 0 site http www modelica org libraries ObjectStab B Ould Bouamama K Medjaher A K Samantaray and G Dauphin Tanguy Model builder using funct
64. Modelica Modelica uma linguagem de modelagem orientada a objetos formalmente definida que permite a modelagem de sistemas complexos e heterog neos uma linguagem n o propriet ria e que vem sendo amplamente usada tanto por institui es de pesquisa quanto pela ind stria Junto com a linguagem Modelica a organiza o The Modelica Association tamb m disponibiliza gratuitamente a Biblioteca Padr o Modelica Modelica Standard Library uma extensa biblioteca com mais de 780 123 modelos de componentes gen ricos e 550 fun es multiprop sito referencia vers o 3 0 de fevereiro de 2008 Mais informa o sobre a linguagem Modelica pode ser encontrada no site http www modelica org Al m da Biblioteca Padr o Modelica o Auto FDI disponibiliza a biblioteca Diagnostics uma biblioteca espec fica para a cria o de modelos utilizados no processo de detec o e diagn stico Entre os componentes desta biblioteca est o componentes de gera o de res duos de avalia o de res duos de inje o de sinais de inje o de falhas etc Para a cria o desses modelos etapas 1 e 2 o Auto FDI vem com um editor gr fico integrado O SimForge O SimForge um software totalmente gr tis e de c digo aberto Utiliza o compilador OpenModelica o mesmo compilador Modelica usado pelo Auto FDI Com o SimForge poss vel construir modelos na linguagem Modelica de forma r pida e intuitiva atrav s da montagem de componente
65. Os componentes Modelica s o conectados atrav s do mecanismo de conex o da linguagem Modelica Tais componentes possuem uma interface bem definida com portas tamb m chamadas conectores que exp e a interface do componente para mundo externo S permitida a comunica o entre componentes atrav s dos conectores Conex es entre componentes podem ser estabelecidas atrav s de conectores de tipos equivalentes A Figura 29 ilustra o mecanismo de conex o da linguagem Modelica Interface Conector Componente Conex o Componente Figura 29 Mecanismo de conex o da linguagem Modelica Conectores s o inst ncias de classes do tipo connector ou classes do tipo class que contempla as restri es de uma classe do tipo connector Tais conectores declaram vari veis que fazem parte da interface de comunica o do componente Segue abaixo um exemplo de uma classe do tipo conector Para mais detalhes sobre Modelica e o seu modelo de conex o consulte a refer ncia Fritzson2004 Connector Pin Voltage v flow Current i end Pin C digo 5 Conector da linguagem Modelica A seguir s o descritos os principais componentes Modelica e os conectores desses componentes Componente Componentes de gerac o de res duos 70 Descri o Interface para componentes de gera o de res duos Conectores Vari veis de entrada Real modelOutput
66. Permite adicionar e remover observadores do resultado da detec o de falhas ou seja os sintomas valor booleano Os observadores cadastrados recebem eventos do tipo DetectionEvent pence e addDetectionListener DetectionListener listener Adicionar um observador e removeDetectionListener DetectionListener listener Remover um observador cadastrado Irupiementado IModelicaProxy por Interface IIsolationObservable Descric o Permite adicionar e remover observadores do resultado do isolamento de falhas Os observadores cadastrados recebem eventos 67 do tipo IsolationEvent RERI OS e addlsolationListener solationListener listener Adiciona um observador e removelsolationListener solationListener listener Remover um observador cadastrado Implementado sola or por Interface OutputListener Descri o Permite que um componente receba eventos do tipo OutputEvent Ao receber um OutputEvent poss vel obter o valor das sa das cont nuas dos componentes do modelo Modelica incluindo o Modelo do Sistema adaptadores e o Modelo de Detec o Servicos e receiveEvent OutputEvent event Recebe um evento do tipo OutputEvent implementado Componente de gera o de gr ficos por Observa es Utiliza o modelo Pull para obten o da informa o Interface DetectionListener Pesengan Permite que um componente receba eventos do tipo DetectionEven
67. RNF 12 Manual A ferramenta deve dispor de um manual do usu rio Requisitos de Integra o RNF 13 Integra o com ferramentas de modelagem Por for a dos requisitos funcionais o sistema poder se integrar com ferramentas externas de modelagem O sistema dever oferecer toda sua funcionalidade de realiza o de diagn stico atrav s de uma interface exposta a sistemas externos podendo estes utilizarem outra linguagem ou plataforma de execu o 41 5 Projeto arquitetural Cap tulo 5 Neste cap tulo descrevemos a arquitetura da ferramenta em um n vel abstrato de detalhamento A forma escolhida para documentar a arquitetura do Auto FDI foi baseada em Sauve2007 e consiste de uma combina o de t cnicas utilizadas por praticantes de engenharia de software e Identifica o dos requisitos arquiteturalmente significativos para compor os requisitos arquiteturais se o 5 1 Bredemeyer a e Decis es arquiteturais e coment rios associados para apresentar a estrutura da arquitetura assim pode se esclarecer a raz o o porqu de cada decis o principal se o 5 2 Bredemeyer b e Vis o l gica da arquitetura apresentada pelas se es Estrutura da arquitetura se o 5 3 e Comportamento din mico se o 5 4 Essas diferentes perspectivas ajudar o a melhor entender a arquitetura A arquitetura foi elaborada tendo em vista os princ pios gerais de um bom projeto arquitetural tais como abs
68. Real system Output Vari vel de sa da Real residual Implementado Diagnostics ResidualGenerators Subtractor por Componente Componentes de avalia o de res duos Descri o Interface para componentes de avalia o de res duos Conectores Vari vel de entrada Real residual Vari vel de sa da Real symptom Implementado Diagnostics ResidualEvaluators SimpleThreshold por Diagnostics ResidualEvaluators DynamicThreshold Componente Componentes do Modelo do Sistema Descric o Interface para componentes do Modelo do Sistema Conectores Vari vel de entrada Real residual Vari vel de sa da Real continuousOutput Implementado Componentes criados pelo modelador e que s o usados na por composi o do Modelo do Sistema Componente Componentes Adaptadores de fonte de entrada Descric o Interface para adaptadores de fonte de entrada do sistema 71 Conectores Par metro string fileName Vari vel de sa da Real continuousOutput Implementado Diagnostics InputAdapters TabulatedFileAdapter por Diagnostics InputAdapters RegularExpressionAdapter Diagnostics InputAdapters DataBaseAdapter Componente Componentes de inje o de falha Descric o Interface para componentes de injec o de falhas no modelo Conectores Vari vel de entrada Real continuousTemporalOutput e Conectores de Sa da Real continuousTemporalOutput Implementado Diagnostics FaultInjection AdditiveFault por Diagnost
69. SistemaDeExcitacao annotation Diagram coordinateSystem extent4 300 200 1 300 2001 0 1 Figura 53 Ajustando o tamanho da rea de montagem do modelo Agora podemos iniciar a cria o do modelo do sistema de excita o Iremos criar o modelo visualmente arrastando e interligando os componentes da biblioteca de componentes e fun es Modelica Para facilitar o acompanhamento das instru es o resultado final da representa o visual do modelo mostrado na figura abaixo 130 r 54 M 4 MP M 1 1 a AVR output Verror AVR Sum Limiter j riche Jus i399 YA LE a s mak V Vref uMax Efmax kT PSSGain WashOut Phase Compensation Phase Compensation2 PSSLimiter ais Ld keKstab a s a s uMaxevsmax kT Figura 54 Representa o visual do modelo do sistema de excita o do tipo STIA Primeiro selecione o componente do tipo Modelica Blocks Math Gain e arraste para a rea de montagem do modelo Ao soltar o componente na rea de montagem dever ser informado o nome do componente conforme ilustra a figura abaixo SimForge C Smash Exemplos SistemaDeExcitacao File Edit View Tools Window Help wm x BS E Modelica 9 CJ Used external packages CY Modelica amp UsersGuide CI Mechanics gt 5 Math o c Electrical 9 C Blocks gt Ei Types o cI Sources c Nonlinear Cd Math 3 Gain Name of com
70. Universidade Federal de Campina Grande Centro de Engenharia El trica e Inform tica Coordena o de P s Gradua o em Inform tica Isolamento Autom tico de Falhas em Sistemas Wagner de Souza Porto Campina Grande PB Setembro de 2009 Universidade Federal de Campina Grande Centro de Engenharia El trica e Inform tica Coordena o de P s Gradua o em Inform tica Isolamento Autom tico de Falhas em Sistemas Wagner de Souza Porto Disserta o submetida Coordena o do Curso de P s Gradua o em Ci ncia da Computa o do Centro de Engenharia El trica e Inform tica da Universidade Federal de Campina Grande Campus I como parte dos requisitos necess rios para a obten o do grau de Mestre em Ci ncia da Computa o MSc rea de Concentra o Ci ncia da Computa o Linha de Pesquisa Redes de Computadores e Sistemas Distribu dos Jacques Philippe Sauv Orientador Campina Grande PB Setembro de 2009 ii FICHA CATALOGR FICA P853i Porto Wagner de Souza Isolamento autom tico de falhas em sistemas Wagner de Souza Porto Campina Grande 2009 196 f il color Disserta o Mestrado em Ci ncia da Computa o Universidade Federal de Campina Grande Centro de Engenharia El trica e Inform tica Refer ncias Orientador Prof Dr Jacques Philippe Sauve 1 Diagn stico de Falhas 2 Isolamento de Falhas 3 Propaga o de Falhas I T tulo CDU 004 41 043
71. a o de sinais Existe tamb m na Biblioteca Padr o Modelica uma grande variedade de componentes para gera o de sinais atrav s de diversos tipos de fun es Por exemplo no pacote Modelica Blocks Sources temos componentes de gera o de sinais atrav s de fun es cont nuas ex BooleanConstant BooleanStep e BooleanPulse de fun es cont nuas ex Constant Sin Ramp de sequ ncias de eventos ex TimeTable e CombiTimeTable entre outros Enfim ao adotar a linguagem Modelica para descri o dos modelos incorporamos ao Auto FDI uma imensa gama de componentes de gera o de sinais fazendo com que este requisito fosse facilmente atendido 101 RF 8 Cria o do ambiente de diagn stico A ferramenta deve possuir um editor para a cria o do ambiente de diagn stico a interface que ser usada pelo operador para realizar o diagn stico de falhas no sistema Deve ser poss vel criar uma interface personalizada de acordo com o sistema a ser avaliado A interface criada poder conter imagens representando o sistema a ser avaliado figuras links gr ficos etc Coment rios Para atender a este requisito foi desenvolvido o Auto FDI Editor veja se o 6 1 2 Com ele poss vel criar interfaces altamente personalizadas para o sistema a ser avaliado Uma barra de ferramenta cont m componentes de figuras links gr ficos labels e alarmes que podem ser arrastados para uma rea de montagem da interface
72. a Auto FDI foi organizado em pacotes de software definidos por elementos inter relacionados De acordo com Fowler1997 a organiza o de um sistema de m dio a grande porte em pacotes um dos instrumentos mais importante para controlar a estrutura do sistema al m de facilitar o entendimento do mesmo O agrupamento dos elementos em pacotes foi realizado observando se os seguintes princ pios de projeto de pacotes Fowler1997 Common Closure Principle CCP As classes em um pacote deveriam estar pr ximas em rela o a altera es ou seja uma altera o que afeta o pacote possivelmente afeta todas as classes neste pacote 90 e Common Reuse Principle CRP As classes em um pacote s o reusadas em conjunto Se uma classe do pacote reusada poss vel que outras classes do pacote tamb m sejam reusadas Esta se o tem como objetivo apresentar a estrutura de pacotes do Auto FDI A apresenta o top down ou seja primeiro s o apresentados os pacotes no n vel superior e em seguida os sub pacotes e classes no n vel mais baixo da hierarquia A Figura 40 mostra os principais pacotes do sistema Uma breve descri o de cada um desses pacotes fornecida na Tabela 3 autofdi framework detection isolation modelica communication userinterface exceptions events util config tests Figura 40
73. a Figura 82 Isto perfeitamente poss vel e muitas vezes desej vel Tamb m importante ressaltar que a visualiza o gr fica do sistema imagens links labels n o tem nenhum significado durante a execu o do diagn stico Phase Compensaton PSSGan WashOut Phase Compensation gt Xs b S gt b s a s a s a s a Representa o visual do sistema b Estrutura do modelo Figura 82 representa o visual x estrutura do modelo 154 Observe agora os elementos em destaque na Figura 83 Estes s o componentes de alarme Estabdicader de sitemas de pot ncia O estabizado compreende 6 componentes do modelo Figura 83 Alarmes Os alarmes de sintoma ou simplesmente alarme como o pr prio nome sugere representam os sintomas gerados durante a detec o de falhas Os sintomas s o ind cios da presen a de falha no sistema Durante a realiza o do diagn stico um alarme ir assumir a cor vermelha no intervalo de tempo em que componente do sistema ao qual ele est associado apresentar sintomas de falha Os alarmes de componente indicam que um determinado componente uma fonte potencial de falhas Os alarmes de componentes tamb m assumem a cor vermelha na presen a de falhas durante o diagn stico A diferen a entre alarmes de sintoma e alarmes de componentes pode ser evidenciada ao observar a Figura 84 obtida durante a execu o do diagn stico no Auto FDI Executor Co
74. a Figura 84 associando os adequadamente aos componentes do modelo Vamos tamb m adicionar gr ficos para observar valores de vari veis durante a execu o do diagn stico Iremos criar uma nova aba para adicionar os gr ficos para n o sobrecarregar a representa o visual do sistema embora fosse poss vel adicionar os gr ficos na mesma aba Escolha a op o para criar uma nova aba na fun o no lado direito da aba existente e escolha a op o Nova Aba Tamb m poss vel alterar o nome das abas EB Editor Smart Analysis Diagn sticos Pictures 4 Visualiza o real dos componentes EE Imagem Label Gaai Renomear Ab erador Grafico Real Cancelar Grafico Booleano Alarme Alarme Componente Link Figura 86 Auto FDI Editor Adicionando uma nova aba Na nova aba arraste um componente do tipo Gr fico Real e um do tipo Gr fico Booleano Ao adicionar um gr fico ser exibida uma tela para a escolha das vari veis a serem plotadas no gr fico conforme mostra a Figura 87 A lista inclui as vari veis do modelo do sistema e do modelo de detec o EE Gr fico MD SistemaDeE citacao C subtractModell subtract C subtractModel2 num1 D C subtractMadel2 num2 C subtractModel3 num1 C subtractModel3 num2 C subtractModel3 subtract subtract odel4 num O C subtractModel4 num2 C subtractModel4 subtract C subtractMadel5 numi C subtractModel5 num
75. a de detec o e isolamento de falhas em sistemas incluindo atuadores planta e sensores que pode ser aplicada em diversos setores da ind stria como por exemplo ind stria qu mica el trica etc Ela utiliza informa es sobre vari veis do processo e sinais de controles provenientes dos sistemas DCS e SCADA e prover as seguintes funcionalidades e Detec o e isolamento de falhas atrav s de v rios m todos e Apresenta o dos resultados da an lise de v rias formas grafos planilhas gr ficos diagramas relat rios e outros e Justificativa dos resultados da an lise atrav s da apresenta o dos sintomas detectados durante processo de detec o e diagn stico de falhas e Armazenamento hist rico do diagn stico de falhas e Suporte tomada de decis es para prote o do sistema monitorado 115 e Permite a constru o de modelos do processo com redes neurais e l gica fuzzy e Permite a exposi o dos resultados da an lise de falhas O DIAG permite o uso de v rias t cnicas de detec o de falhas incluindo m todos cl ssicos verifica o de limiar compara o de sinais redundantes etc al m de m todos avan ados baseados em modelos neurais e fuzzy equa es f sicas modelos de processos lineares e modelos heur sticos ou seja aqueles baseados na experi ncia dos operadores A ferramenta possui um m dulo para a modelagem do sistema com uso de redes neurais e l gica fuzzy dos segu
76. a tabela abaixo Os par metros s o valores que se mant m constante durante a simula o mas que podem ser alterados entre uma simula o e outra Conforme veremos mais adiante tamb m poss vel alterar os valores dos par metros do modelo no Auto FDI Editor e no Auto FDI Simulator Par metro Valor Descri o K 200 Steady State Gain Efmax 7 Maximum Field Voltage p u Efmin l0 Minimum Field Voltage p u Tr 1 5 AVR Time Constant Kstab 20 Power System Stabilizer PSS Gain Tw 10 Signal Washout Filter Time Constant Os valores dos par metros do modelo foram obtidos de 1 1 Larsson M ObjectStab an educational tool for power system stability studies IEEE Transactions on Volume 19 Issue 1 Feb 2004 Page s 56 63P 135 Tl 0 05 PSS Phase Compensation Time Constant 1 T2 0 02 PSS Phase Compensation Time Constant 2 T3 3 PSS Phase Compensation Time Constant 3 T4 5 4 PSS Phase Compensation Time Constant 4 vsmax 0 2 PSS Maximum Output Limit vsmin 0 2 PSS Maximum Output Limit Tabela 6 Par metros do modelo do sistema de excit o Ao inv s passar os valores dos par metros diretamente na inst ncia de cada componente vamos colocar a defini o de todos os par metros na classe SistemaDeExcitacao e passar os valores desses par metros para os componentes atrav s das vari veis A defini o de todos os par metros do modelo encontra se no trecho de c digo Modelica abaixo Para inserir lo o no modelo m
77. agem 5 2 Decis es de projeto de arquitetura De acordo com Sommerville2004 o projeto de arquitetura um processo criativo em que se tenta estabelecer uma organiza o de sistema seus elementos e rela es de modo a satisfazer os requisitos funcionais e n o funcionais do sistema Durante esse processo s o tomadas v rias decis es que afetam profundamente o sistema Essas decis es s o chamadas decis es arquiteturais Esta se o detalha as decis es arquiteturais que nortearam o projeto l gico do sistema A documenta o das decis es arquiteturais segue o template empregado em Sauve2007 Para cada decis o arquitetural s o indicados os drivers para a decis o ou seja os requisitos arquiteturais que levam decis o descrita Cada decis o descrita mais detalhadamente e suas vantagens e desvantagens s o indicadas Algumas decis es de n o fazer tamb m foram inclu das A documenta o das decis es arquiteturais essencialmente importante pois possibilita o chamado rastreamento de requisitos na arquitetura que a possibilidade de relacionar os requisitos do sistema com os elementos sub sistemas onde esses requisitos s o implementados Essa caracter stica importante porque facilita o entendimento e a manuten o do sistema representado pela arquitetura Germoglio2008 43 Vale ressaltar que embora tenha se optado por usar tecnologias da plataforma Net da Microsoft para a concretiza
78. agn sticos Novo Diagnosticador no menu Ser a exibida uma tela para a escolha do Modelo e do Modelo de Detec o a serem usados Selecione SistemaDeExcita o e ModeloDeDetecao SistemaDeExcitacao que s o respectivamente o modelo e o modelo de detec o criados nas se es anteriores deste manual Veja a Figura 78 Perceba que ao selecionar o modelo a ser usado s ser o listados os Modelos de Detec o que utilizam o modelo selecionado 151 EF Editor Smart Analysis EE Novo Diagnosticador Modelo de Detec o SistemaDeExcitacao w MD SistemaDeExcita w Figura 78 Escolhendo o modelo do sistema e o modelo de detec o no Auto FDI Editor Ao clicar em OK o editor ser aberto com a rea de representa o visual do sistema vazia conforme mostra a Figura 49Figura 79 Editor Smart Analysis AAA Pictures Imagem Label Grafico Real Grafico Booleano Alarme Alarme Componente Link Parametros Criar nova aba Crie novas abas e Selecione os parametros a serem listados no Saex Todos sistemaExcitac 1 5 sistemaExcitac 200 sistemaExcitac sistemaExcitac sistemaExcitac sistemaExcitac y 10 camma dm E Figura 79 Auto FDI Editor Elementos da interface do editor 152 Vamos iniciar criando a representa o visual do sistema como mostrado na Figura 77 Para colocar as imagens na rea de desenho arraste componentes
79. amenta SimForge SimForge para a cria o edi o e execu o dos modelos a serem usados no processo de diagn stico O uso de uma ferramenta j pronta princ pio buy don t build para a cria o edi o de modelos ir reduzir significativamente o esfor o necess rio para desenvolvimento da ferramenta Com isso os desenvolvedores podem se concentrar em adicionar valor ao inv s de reinventar a roda 47 Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es O Auto FDI perde a caracter stica de uma IDE Integrated Development Environment A id ia de uma IDE seria permitir implementar em um ambiente nico todo o processo necess rio para o diagn stico incluindo a cria o dos modelos Outra desvantagem que se torna necess rio uma comunica o entre o Auto FDI e o SimForge O SimForge uma ferramenta gr tis e de c digo aberto Ela foi escolhida por ser dentre as possibilidades de ferramentas gr tis a que melhor atende aos requisitos do projeto Usar OpenModelica para executar e obter meta dados dos modelos RFs Realiza o do diagn stico Simula o do diagn stico Durante a realiza o do diagn stico os modelos criados no SimForge ser o executados no software OpenModelica OpenMod possibilitando que o Auto FDI seja independente de ferramenta comercial Meta dados dos modelos como por exemplo vari veis dos modelos valores dos
80. amplitude Entre os modelos de sinais incluem filtros passa faixa Bandpass filters em ingl s an lise de 89 espectro Spectral analysis em ingl s e estimativa de entropia m xima Maximum entropy estimation em ingl s FaultInjection Cont m componentes especiais que permite a inje o de falhas no modelo usados para fins de verifica o e valida o do processo de diagn stico Componentes de inje o de falhas permitem alterar os valores de entradas e ou sa da de componentes do modelo Modelica simulando dessa forma falhas nos componentes do sistema Os componentes de inje o de falhas disponibilizados neste pacote permitem tanto a inje o de falhas aditivas quanto falhas multiplicativas Exemplos de componentes desse pacote s o AdditiveFault e RandomAdditiveFault para inje o de falhas aditivas e MultiplicativeFault e RandomMultiplicativeFault para inje o de falhas multiplicativas Connectors Cont m componentes especiais chamados conectores que permitem interligar modelos de tipos diferentes Conectores recebem um determinado tipo de sinal como entrada como por exemplo um valor real e produz como sa da um sinal de outro tipo um sinal booleano por exemplo Util Pacote com componentes e fun es de utilidade geral para constru o de modelos Examples Cont m exemplos de modelos de detec o de falhas para alguns sistemas 6 3 Organiza o do sistema O sistem
81. ar automaticamente algoritmos de detec o e isolamento de falhas para o sistema O foco da ferramenta na cria o de modelos do sistema Ela permite atrav s de uma interface gr fica criar facilmente modelos do sistema arrastando componentes de uma base de componentes e conectando os componentes entre si formando assim a estrutura completa do mesmo Os modelos s o representados graficamente atrav s de Diagramas de Processo e Instrumenta o Process and Instrumentation Diagram P amp ID em ingl s e a metodologia de cria o de modelos baseada na modelagem funcional e estrutural do sistema utilizando Grafos de Liga o Bond Graphs em ingl s A teoria por tr s dessa metodologia desenvolvida em OMSD2004 Uma vez que o modelo estrutural do sistema criado o ModBuild verifica sua consist ncia e realiza uma an lise estrutural para derivar o modelo din mico do sistema no estado normal e com falhas A partir do modelo din mico do sistema o ModBuild gera os res duos associados com as Rela es de Redund ncia Anal tica Analytical Redundancy Relations ARRs em ingl s com base nas restri es do sistema e determina automaticamente os algoritmos de detec o e isolamento de falhas Um ponto bastante positivo do ModBuild a maneira de criac o de modelos A ferramenta permite a criac o de modelos atrav s de uma interface gr fica a partir de montagem de componentes arrastando e interligando os c
82. ara iniciar a constru o do modelo necess rio dar dois cliques na classe criada SistemaDeExcitacao em Modelica classes na janela de navega o de componentes Feito isso ir aparecer duas janelas uma permite a cria o e edi o do modelo graficamente e a outra no modo textual A Figura 52 ilustra a rea de montagem visual do modelo rea quadriculada A janela para edi o textual encontra se por tr s dessa janela 129 SF SimForge C Temp SistemaDeExcitacao File Edit View Tools Window Help g lt OebSe BO XOU ARE RRSE m Hl dam 4 SistemaDeExcitacao n t edito eman acan emane acan J Modelica B Modelica SistemaDeExcitacao SistemaDeExcitacao o 5 Used external packages Cf Modelica classes 3 SistemaDeExcitacao EH Modelica files D SistemaDeExcitacao mo IEC61131 3 D Simulation result Figura 52 rea de montagem do modelo do Sim Forge Utilize as op es de zoom in zoom out para aproximar e afastar a visualiza o do modelo Tamb m poss vel ajustar o tamanho da rea de montagem do modelo Isto muitas vezes desej vel quando o modelo que queremos criar possui muitos componentes A figura abaixo ilustra onde alterar o tamanho da rea de montagem no modo de edi o textual Text editor SistemaDeExcitacao MD SistemaDeExcitacao File Edit Search Markers Folding View Utilities Macros Plugins Help Yi model
83. as de terceiros e Modelica classes Onde se encontram os componentes Modelica criados no projeto e que podem ser editados e Modelica Files Permite visualizar os arquivos Modelica mo do projeto Permite a edi o apenas no modo textual Uma vez criado o projeto vamos agora criar o modelo do sistema de excita o Clique na op o do menu File new File ou no cone LA na barra de ferramentas do SimForge Ser exibida a tela ilustrada na Figura 49 Informe o nome e o tipo do arquivo Escolha a op o Modelica files pois queremos criar um arquivo Modelica mo 128 SimForge C Temp SistemaDeExcitacao File Edit View Tools Window Help au 3 ge 0 Bm SistemaDeExcitacao C Modelica C Used external packages C Modelica E File name gt E UsersGuide 79 BistemaDeExcitacao 5 Mechanics Tas gt 7 Math o C Electrical o c Blocks gt c Slunits CY Icons o 5 Constants C Modelica classes 3 Modelica files IECB1131 3 D Simulation result Creating file Figura 51 Criando um arquivo no SimForge Clique em OK A pr xima tela a aparecer permite escolher o tipo da classe a ser criada A linguagem Modelica define v rios tipos de classes entre eles model package connectors block etc Para informa es sobre a sem ntica de cada um desses tipos consulte a documenta o da linguagem Selecione o tipo model e em seguida clique em OK P
84. ase Compensation2 Modelica Blocks Continuous TransferFunction PSSLimiter Modelica Blocks Nonlinear Limiter Tabela 5 Tipo dos componentes do modelo do sistema de excita o Agora vamos interligar os componentes A 133 Figura 58 ilustra a conex o dos componentes PSSGain e WashOut Primeiro posicione o cursos do mouse no conector do componente PSSGain e espere por um instante at que o nome do conector apare a Figura 58 a Em seguida pressionando a tecla Shift clique e solte o bot o direito do mouse Depois mova o cursor para o conector do componente WashOut e clique o mouse novamente Figura 58 b A representa o para a conex o entre os componentes uma linha entre eles As propriedades visuais da linha cor espessura etc podem ser alteradas atrav s do bot o direito do mouse na op o Properties PSSGain Mischa PSSGain WashOut Modelica Blocks Interfaces RealOutputy is D S b s a s a S a Figura 58 Conectando componentes no SimForge Conecte todos dos componentes de modo a obter o modelo ilustrado na abaixo 134 Verror AVR Sum Limiter 1 Pap B S Pep gt pit a s PER uMax 1 PSSGain WashOut Phase Compensationt Phase Compensation PSSLimiter A pbs abis b s k 1 a s a s a s uMax 1 Figura 59 Modelo parcial do sistema de excitac o Vamos agora definir os valores default dos par metros dos componentes do nosso modelo conforme
85. breagem e Modelica Mechanics Translational Sistemas mec nicos transacionais de 1 dimens o tais como massa mola e for a e Modelica Mechanics MultiBody Sistemas mec nicos de 3 dimens es como por exemplo juntas for a e sensores e Modelica Media Componentes para modelagem de subst ncias fluidas e Modelica Thermal Componentes para modelagem de sistemas termo fluidos especialmente para sistemas de resfriamento de m quina Cont m canos bombas v lvulas etc e Modelica Blocks Blocos de entrada e sa da cont nuas e discretas Cont m fun es de transfer ncia sistemas lineares n o lineares matem ticos l gicos entre outros 85 e Modelica StateGraph M quinas de estado hier rquicas com poder de modelagem semelhante aos StateCharts diagramas de estados com diversas representatividades e Modelica Math Matrices Modelica Utilities Fun es para opera es de matrizes strings streams e arquivos e Modelica Constants Modelica Icons Modelica SIunits Pacote utilit rio que prov constantes frequentemente usadas tais como e n R cones que podem ser usados nos modelos cerca de 450 tipos predefinidos tais como Mass Angle Time etc 6 2 2 ObjectStab ObjectStab ObjectStab uma biblioteca Modelica gratuita para modelagem de sistemas de pot ncia Essa biblioteca foi de grande utilidade para o projeto Smart Analysis pois facilitou a modelagem de s
86. btido em tempo O kp n e Ps D Cr ComputePs Graph Gr foreach v in Br do Fi ComputeFi v Expand the condensed vertices F 9 foreach u in Fido u is a condensed vertex F lt u GetCondensedNodes Ps lt Ps L F j ComputeFi Graph g Vertice v 1 Fi lt Fi U v foreach u in v gt inEdges do e g Edges u v if e Tag Ind then ComputeFi u C digo 4 Computa o de Ps 33 4 Levantamento de requisitos Cap tulo 4 Neste cap tulo apresentamos a ferramenta proposta para a realiza o de detec o e isolamento de falhas em sistema chamada Auto FDI Automatic Fault Detection and Isolation A ferramenta resultado de um projeto de P amp D financiado pela CHESF intitulado Smart Analysis O cap tulo est estruturado como segue A se o 4 1 fornece uma vis o geral da ferramenta caracterizando o seu prop sito geral Na se o 4 2 s o categorizados os potenciais usu rios da ferramenta e em seguida s o apresentados os requisitos funcionais se o 4 3 1 e n o funcionais se o 4 3 2 do sistema 4 1 Descri o geral da ferramenta O Auto FDI uma ferramenta que permite a detec o e isolamento de falhas em sistemas dos mais variados setores da ind stria em especial em sistemas de pot ncia A ferramenta utiliza t cnicas de detec o baseadas em modelos de sistemas e ou modelos de sinais para realiza o do diagn stico O isolamento de falhas
87. cionalidades e Criar uma interface altamente personalizada de acordo com o sistema a ser avaliado A interface pode incluir imagens do sistema e equipamentos figuras links etc e Adicionar gr ficos para observar todo o processo de diagn stico valores entradas e sa das do sistema res duos sintomas falhas etc e Adicionar alarmes indicadores de falhas ou de sintomas de falha 80 e Altera o dos par metros dos modelos do sistema e de detec o de falha e escolha de quais desses par metros poder o ser vis veis e ou edit veis no ambiente de execu o do diagn stico A Figura 32 ilustra a tela principal do Editor No lado esquerdo encontra se uma barra de ferramentas ou toolbar com componentes gr ficos que podem ser arrastados para a rea de edi o na parte central A rea de edi o pode conter v rias abas permitindo uma melhor disposi o dos elementos gr ficos A barra de ferramentas inclui componentes de imagens abels links gr ficos e alarmes No lado direito da tela encontra se a janela de par metros onde s o listados todos os par metros do Modelo Modelica O valor inicial dos par metros s o aqueles que foram definidos durante a cria o desses modelos no SimForge Nesta janela poss vel alterar o valor desses par metros e definir quais destes par metros poder o ser vis veis e ou editados posteriormente no Auto FDI Executor EB Editor Smart Analysis Diagn sticos Pictur
88. co para mais de um sistema simultaneamente Isso s iria confundir o usu rio com uma quantidade excessiva de informa o Uso de Web Services RF Exposi o de funcionalidades A l gica de neg cio ser exposta via Web Services 56 Vantagens Desvantagens Observa es e As tecnologias subjacentes aos Web Services s o padr es abertos como HTTP SOAP UDDI ao inv s de tecnologias propriet rias e mais simples de se implementar que as solu es tradicionais que utilizam CORBA ou DCOM por exemplo Uma cr tica diz respeito ao fato de o SOAP ser menos eficiente do que os sistemas de chamadas remotas de procimento RPC existentes Por exemplo as mensagens com os respectivos envelopes e descri o de tipos trocadas entre as partes s o descritas em formato de texto XML enquanto que nos sistemas cl ssicos de RPC s o trocadas em formato bin rio No entanto essa desvantagem compensada significativamente pela facilidade de interoperabilidade entre os servi os sem os problemas conhecidos de seguran a firewalls e pela facilidade de se esconder os detalhes propriet rios das infra estruturas de suporte Refer ncia en wikipedia org wiki Web service 5 3 Estrutura da arquitetura Nesta se o apresentamos a estrutura est tica da arquitetura em termos de seus m dulos e interconex es A apresenta o feita em dois passos primeiramente na se o 5 3 1 s o descritos os m dulos principais da arq
89. com Java Existem projetos que permitem a portabilidade de aplica es Net como por exemplo o Mono Mono Por m n o faz parte dos objetivos deste projeto testar a ferramenta em outros sistemas operacionais que n o seja o Windows XP Usar uma Fa ade para acessar a l gica de neg cio Desacoplamento RNFs Testes autom ticos Exposi o de funcionalidades A camada de l gica de neg cio Modelo deve ser acessada atrav s de uma Fa ade um objeto nico Os m todos da Fa ade devem permitir acessar toda a l gica de neg cio 49 9 Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es A Fa ade prov uma interface unificada de mais alto n vel para um conjunto de interfaces em um subsistema deixando o mais f cil de entender e usar A Fa ade tamb m pode reduzir depend ncias em rela o s caracter sticas internas de uma biblioteca reduzindo o acoplamento e aumentando a oculta o de informa o A classe Fa ade pode ficar muito grande quando a l gica de neg cio extensa e A l gica de neg cio estritamente acessada pela Fa ade Os clientes que usam a Fa ade como por exemplo o controlador da arquitetura MVC n o t m acesso diretamente l gica de neg cio e importante ressaltar tamb m que todo o trabalho feito pela l gica de neg cio e a Fa ade realiza apenas chamadas aos objetos de neg cio apropriado
90. cs in System Administration Vol 53 pp 165 194 Tarjan R E Depth First Search and Linear Graph Algorithms SIAM J Computing vol 1 no 2 pp 146 160 1972 Tesar L Berec L Rakar A Szederk nyi G Kadlec J Juricic D Hangos K M K rny M e Kinnaert M A toolbox for model based fault detection and isolation Proceedings of the European Control Conference 1999 181 TBR 1999 WK2005 Tesar L Berec L Rakar A Szederk nyi G Kadlec J Juricic D Hangos K M K rny M e Kinnaert M A toolbox for model based fault detection and isolation Proceedings of the European Control Conference 1999 Wang A Qian K Component Oriented Programming Wiley Interscience 2005 182
91. da uma biblioteca pronta gr tis ou n o que permita criar rapidamente aplica es com diagramas com imagens figuras conectores etc e Facilidade na cria o de diagramas e Utiliza o de funcionalidades avan adas providas por estas bibliotecas como por exemplo zoom in zoom out imagens 3D sem custo adicional de desenvolvimento Custo adicional caso a biblioteca escolhida n o seja gratuita Sugerimos que as seguintes ferramentas entre outras sejam analisadas e AddFlow solu o comercial http www lassalle com afnet htm e CFlowchartEditor solu o gr tis de c digo aberto http www codeproject com KB miscctrl flowcharteditor aspx Uso de NUnit para expressar os testes de aceita o RNF Testes autom ticos Os testes de aceita o ser o implementados em C usando o framework NUnit e Ser usado o mesmo framework o NUnit para expressar os testes de aceita o e os testes de unidade e Permite ter um ambiente de desenvolvimento e de testes totalmente integrados no VisualStudio e Facilidade na localiza o dos erros e depura o do c digo com aux lio do VisualStudio e A linguagem C possui maior poder de express o para testar do que uma linguagem de script teria necess rio conhecer a linguagem CH e o framework NUnit para implementar o testes de aceita o Pressup e se que o cliente n o ir escrever os testes em Cf sendo necess rio portanto que o programador transcreva os testes expres
92. daTemporalCont nua SaidaTemporalCont nua ISaidaTemporalBooleana ISaidaTemporalBooleana GRSubtrator ARLimiarSimples ARLimiarDinamico InjSomador ISaidaTemporalCont nua SaidaTemporalContinua ISaidaTemporalCont nua ISaidaTemporalCont nua A A A A O Q JE T t ISaidaTemporalCont nua ISaidaTemporalCont nua ISaidaTemporalContinua ISaidaTemporalCont nua AdaptArquiv AdaptExpress AdaptBD amp AdaptWeb E Tabulado Regular p Services Figura 26 Arquitetura Modelo de Detec o Coment rio Conforme explicitado na se o 5 2 decis o 4 o Modelo de Detec o que compreende a gera o e avalia o de res duos descrito em Modelica Este modelo criado por uma ferramenta de modelagem Modelica que no nosso caso optamos por usar o SimForge decis o 5 Conforme mostra a Figura 26 o Modelo de Detec o cont m o Modelo do Sistema e consiste de v rios componentes interconectados cada um dos quais com vari veis de entrada e vari veis de sa da O mecanismo de conex o entre os componentes Modelica explicado na se o 5 3 3 V rios componentes est o dispon veis para facilitar a cria o de Modelos de Detec o Eles obedecem s interfaces ilustradas na figura acima Entre eles temos componentes de gera o de res duos componentes de avalia o de res duos e os adaptadores qu
93. de falhas feita de duas maneiras atrav s dos alarmes e na janela de exibi o de falhas Para mais detalhes veja a se o 1 6 do manual no Ap ndice C O isolamento de falhas feito atrav s da t cnica introduzida no cap tulo 3 denomiada isolamento autom tico A t cnica considera a propaga o de falhas e a falta de informa o sobre determinados componentes do sistema avaliado No Ap ndice D s o expostos alguns cen rios de configura o de sistemas com o respectivo resultado do isolamento de falhas V rios testes de unidade e de aceita o foram feitos para assegurar que o isolamento autom tico funciona conforme o esperado Os testes incluem al m de outros todos os cen rios expostos no ap ndice D Para valida o desse requisito tamb m foi realizada uma avalia o de desempenho do isolamento autom tico Os resultados dessa avalia o encontram se na se o 7 2 2 RF 15 Simula o do diagn stico A ferramenta deve permitir a simula o do diagn stico para fins de valida o Deve ser poss vel injetar falhas no sistema durante a simula o Coment rios Para fins de valida o do diagn stico de falhas poss vel incluir no Modelo de Detec o em substitui o aos adaptadores de fonte de entrada do sistema um modelo do sistema com componentes de inje o de falhas Na biblioteca de componentes do Auto FDI s o disponibilizados componentes tanto para inje o de falhas aditivas quanto fal
94. delo Os par metros que n o estiverem na aba Todos poder o ser alterados em cada execu o do diagn stico Na parte superior est o as ferramentas de execu o do diagn stico Atrav s dessas ferramentas poss vel iniciar pause e parar a execu o Tamb m existe op es para definir o tempo de simula o o intervalo de verifica o e controle da velocidade de simula o No lado direito da tela temos a janela de exibi o de falhas Nesta janela ser o exibidos os componentes que apresentarem falha durante o diagn stico Vamos agora dar inicio execu o do diagn stico Para isso clique no bot o iniciar execu o na barra de ferramenta e A Figura 94 ilustra a execu o durante um determinado instante do diagn stico Observe que o Auto FDI conseguiu identificar uma falha no sistema no Gerador e que as falhas se propagaram atrav s dos componentes que estavam conectados ao Gerador 162 EE Smart Analysis Executor Diagn sticos tem tem inter ba Tempo ie O po 0 po oo valo v ra J O Para Visualiza o real dos componentes Graficos Visualiza o Tempo Falha metro A s Todos Caminhos _ sist iA 1 E A sist sist sist sist sist sist sist sist Figura 94 Execuc o do Diagn stico Identificac o de uma falha no Gerador 1 7 Simulac o do processo de detecc o e diagn stico de falhas
95. do tipo Imagem da barra de ferramentas lado esquerdo do editor Para alterar as imagens default dos componentes clique com o bot o direito e escolha a op o mudar imagem conforme a mostra a Figura 80 As imagens do exemplo usado neste manual encontram se no diret rio de instala o do Auto FDI na pasta exemplos sistema de excitacao imagens Use os componentes do tipo Link e Label para ligar as imagens e colocar textos respectivamente de modo a obter a representa o visual ilustrada na Figura 77 EB Editor Smart Analysis Diagn sticos i ral A Pictures FEE Il Imagem El Diversos Label Imagem Grafico Real Nome Grafico Booleano Trazer para frente Alarme Enviar para tr s Alarme Componente 5 Imagem Link Cancelar Parametros Criar nova aba Crie novas abas e Selecione os parametros a serem listados no Saex Todos E sistemaExcitac n5 A sistemeExcitac 200 sistemaExcitac 7 isistemaExcitac 0 sistemaExcitac 20 sistemaExcitac y no sus a Figura 80 Auto FDI Editor Escolhendo uma imagem no editor 133 Gerador Regulador Excitador Retificador Refer ncia de tens o Estabilizador de sistemas de pot ncia D establizador compreende 6 componentes do modelo Figura 81 Representa o visual do sistema Vale notar que a representa o visual que criamos para o sistema diferente da estrutura do modelo do sistema criado no SimForge veja n
96. dos automaticamente atrav s de observa es estat sticas ou atrav s do conhecimento heur stico dos operadores acerca do sistema O isolamento de falhas realizado atrav s m todos que utilizam conhecimento especialista sobre a rela o entre os sintomas e as falhas Essa rela o descrita atrav s de regras Fuzzy A ferramenta possui uma interface gr fica bastante sofisticada e bastante rica em funcionalidades Ela implementa v rios m todos de detec o e diagn stico permitindo o design de uma vasta gama de solu es de diagn stico Ainda sua arquitetura componentizada o que permite uma f cil extens o de algumas funcionalidades da ferramenta sem a necessidade de altera o no c digo Outro aspecto positivo da ferramenta a robustez em rela o aos ru dos e incertezas que possam afetar o sistema veja robustez na se o 2 2 Como ponto negativo da ferramenta podemos citar o fato de que ela n o exp e suas funcionalidades permitindo que estas possam ser usadas em outros sistemas Al m disso ressaltamos que o AMandD n o permite a integra o com outras ferramenta de ap io ao diagn stico de falhas como por exemplo ferramentas especializadas em modelagem 1 3 ModBuild O ModBuild uma IDE Integrated Development Environment de monitoramento que permite criar o modelo de sistemas validar a consist ncia desses 118 modelos e atrav s de uma an lise estrutural desses modelos determin
97. e o de falhas entre outros Outros componentes poder o ser adicionados a esta biblioteca ao longo da evolu o do software A Figura 39 ilustra os pacotes da biblioteca Diagnostics InputA dapters Faultinjection Connectors Leco i Figura 39 Pacotes da biblioteca Diagnostics Abaixo segue uma descrig o dos pacotes da biblioteca Diagnostics e ResidualGenerators Cont m componentes de gera o de res duos para detec o de falhas como por exemplo o componente Subtractor que gera res duos atrav s de uma simples subtra o entre valores obtidos do sistema e valores obtidos do modelo do sistema Outros componentes de grande utilidade e que poder o ser adicionados futuramente neste pacote inclui componentes de gera o de res duos usando observadores de estado filtro de 88 Kalman estimativa de par metros entre outros A fase de detec o de falhas descrita na se o 2 3 1 ResidualEvaluators Cont m componentes de avalia o de res duos para detec o de falhas Componentes de avalia o de res duos recebem como entrada os res duos e produz como sa da os sintomas Entre os componentes deste pacote temos o SimpleResEvaluator e o RobustResEvaluator No primeiro os sintomas s o gerados a partir de uma simples compara o do valor absoluto do res duo com um limiar no segundo os sintomas s o gerados n o com base no valor instant neo dos res duos mas baseado no valor m dio dos N lt
98. e sinal Simula o do diagn stico Arquitetura extens vel e Exposi o de funcionalidade que foram os requisitos que de fato motivaram este trabalho 4 3 1 Requisitos Funcionais Os principais requisitos funcionais que nortearam o desenvolvimento da ferramenta s o Requisitos de cria o do modelo RF 1 Cria o de modelos Deve existir uma interface gr fica que permita criar modelos visualmente atrav s da composi o de componentes de uma biblioteca de sub modelos e fun es Deve ser poss vel criar os seguintes tipos de modelos e Modelos l gicos booleano e Modelos cont nuo est tico representado por equa es alg bricas e Modelo cont nuo din mico representado por equa es diferenciais e Modelo de eventos discretos e Modelo probabil stico e Modelo representado por redes de Petri e Modelos representados por m quina de estados finitos 27 RF 2 RF 3 RF 4 RF 5 Interligar modelos de tipos diferentes Deve ser possivel criar modelos interligando sub modelos de tipos diferentes como por exemplo criar um modelo interligando um modelo l gico com um modelo continuo Salvamento Leitura Altera o Exclus o de modelos A ferramenta deve permitir o salvamento leitura altera o e exclus o de modelos Adi o de modelos Deve ser poss vel adicionar facilmente na biblioteca de modelos da ferramenta novos modelos criados pelo usu rio Verifica o de consi
99. e agora um outro cen rio com FPM ilustrado na Figura 15 Observe que o componente B n o observ vel Neste caso n o poss vel saber onde a falha originou no componente 4 ou no componente C Assim dizemos que os componentes 4 e C s o potenciais fontes de falhas Figura 15 Exemplo de um FPM para um determinado sistema Um aspecto importante a ser considerado no isolamento de falhas a exist ncia de ciclos de feedback nas rela es de conex o do sistema Quando uma falha ocorre em determinado componente do ciclo a falha pode se propagar por todo o ciclo impossibilitando a identifica o da fonte da falha Isso implica que o isolamento de falhas se limita a identificar o conjunto de componentes fortemente conectados com pelo menos um componente com falha Este fen meno ilustrado na FPM da Figura 16 onde os componentes 4 B C e D s o potenciais fontes de falha Figura 16 Exemplo de FPM com propaga o de falhas em um ciclo Por outro lado em situa es onde a falha n o se propaga por todo o ciclo poss vel identificar a fonte das falhas O FPM da Figura 17 ilustra um cen rio para este caso onde podemos inferir que o componente 4 e C s o fontes de falhas 25 Figura 17 Exemplo de FPM sem propaga o de falhas no ciclo Em CS2001 apresentado uma solu o para o isolamento de m ltiplas falhas chamada de diagn stico operativo operative diagnosis que con
100. e s o componentes usados para acessar os dados do sistema decis o 9 Os adaptadores e os componentes de gera o de res duos obedecem interface ISaidaTemporalContinua e os componentes de avalia o de res duo obedecem interface Saida TemporalBooleana Estas interfaces s o descritas na se o 5 3 3 Al m desses componentes existe uma extensa biblioteca de componentes e fun es Modelica disponibilizadas pela comunidade e que podem ser usados para a constru o dos modelos 62 Diagrama Modelo do Sistema Modelo do Sistema Boolean Boolean Place Place PARE S Submodelo Submodel Tipos de Conectores Boolean Integer Boolean Real Integer Boolean Integer Real Q o z l z BooleanTolnteger BooleanToRea BooleanToPlace IntegerToBoolean monet Integer Place Place Boolean Place Real q z z IntegerToPlace PlaceToBoolean PlaceTolnteger PlaceToReal Figura 27 Arquitetura Modelo do Sistema Coment rio O Modelo do Sistema formado atrav s da composi o de submodelos Submodelos de tipos diferentes s o interligados atrav s de um componente especial chamado conector decis o 11 Por exemplo o conector BooleanToPlace permite interligar um modelo do tipo booleano com um modelo representado por redes de Petri V rios conectores est o dispon veis para interligar diferentes tipos de modelos como mostra a Figura 27 Diagrama Web Services 63 Cliente Web
101. ecompila o de c digo RNF 4 Testes autom ticos No sentido de manter a qualidade do software ao longo de sua evolu o toda a l gica de neg cio deve ser test vel automaticamente atrav s de baterias de testes de funcionalidade testes de aceita o desej vel mas n o obrigat rio que a l gica de apresenta o e a l gica de controle interface entre a entrada sa da e a l gica de neg cio sejam testadas automaticamente Requisitos de Portabilidade RNF 5 Linguagem portabilidade A ferramenta deve ser desenvolvida na linguagem Cf Csharp da plataforma Net Requisitos de Interface e de Usabilidade 40 RNF 6 Usabilidade O sistema dever ser amig vel podendo ser facilmente utilizado ap s um treinamento b sico RNF 7 Erros O sistema deve reportar qualquer erro com mensagens explicativas N o se devem expor mensagens internas do tipo Null Pointer Exception para o usu rio RNF 8 Stand alone A ferramenta deve ser do tipo stand alone monousu rio Requisitos de Confiabilidade RNF 9 Integridade O sistema deve ter um m nimo de controle na verifica o da integridade dos seus dados internos de configura o Requisitos de Precis o RNF 10 Precis o Dados num ricos devem manter a precis o natural associada ao tipo de informa o sendo tratada Requisitos de Documenta o RNF 11 Documenta o O sistema deve dispor de documenta o de desenvolvimento
102. epois a aba Parameters No par metro path informe o caminho do arquivo conforme ilustrado na Figura 73 para 146 o componente AVR adapter Observe que como o par metro do tipo string o valor deve est entre aspas duplas SE Properties General Parameters Modifigrs Trasformations Attributes path larquivos AVR bt Default Cancel Figura 73 Definindo o arquivo de entrada para o adptador Agora vamos implementar a gera o e a avalia o de res duos A biblioteca de componentes do Auto FDI disponibiliza alguns componentes para a gera o e a avalia o de res duos Para a gera o de res duos usaremos o componente Diagnostics SubtractModel O SubtractModel gera o res duo atrav s de uma subtra o entre o sinal obtido do sistema e o sinal obtido do modelo Para a avalia o de res duos usaremos um componente da biblioteca padr o da linguagem Modelica o Modelica Blocks Math RealToBoolean O componente RealToBoolean compara o valor de entrada que no caso ser o res duo com um limiar onde o limiar um par metro do componente A Figura 74 ilustra o modelo depois de colocados os componentes de gera o e de avalia o de res duos 147 Geradores Avaliadores de res duos de res duos Figura 74 Modelo de detec o de falhas adi o dos geradores e dos adaptadores de res duos Defina um limia
103. equation s Figura 76 Mensagem de verifica o de erros no modelo de detec o Sem erros 149 1 5 Cria o do ambiente de diagn stico Nesta se o iremos criar o ambiente de diagn stico O ambiente de diagn stico a interface gr fica que ser criada para ser usada pelos operadores na realiza o do diagn stico de um sistema A cria o do ambiente de diagn stico realizada no Auto FDI Editor O Auto FDI Editor permite entre outras funcionalidades e Criar o uma interface altamente personalizada de acordo com o sistema a ser avaliado A interface pode incluir imagens do sistema e equipamentos figuras links etc e Adicionar gr ficos para observar todo o processo de diagn stico valores entradas e sa das do sistema res duos sintomas falhas etc e Adicionar alarmes indicadores de falhas ou de sintomas de falha e Altera o dos par metros dos modelos do sistema e de detec o de falha e escolha de quais destes par metros poder o ser vis veis e ou edit veis no ambiente de execu o do diagn stico Neste documento n o iremos abordar todas as funcionalidades do Auto FDI Editor Para obter mais informa es consulte o manual da ferramenta atrav s do menu help A figura abaixo mostra o ambiente de diagn stico que iremos criar para o sistema de excita o 150 EB Editor Smart Analysis DER Diagn sticos Pictures Visualiza o real dos componentes iai Imagem
104. es Visualiza o real dos componentes Baje Gr ficos Imagem zu Gerador Grafico Real Grafico Booleano Alarme Alarme Componente Link Parametros Criar nova aba Excitador Retificador Crie novas abas e Selecione os parametros a serem listados no Saex Refer ncia de Caminhos tens o 4 la LAJ A A A tar A fileRead amp C Documents fileRead C Documents fileRead C Documents ffileRead C Documents fileRead C Documents fileRead C Documents fileRead C Documents fileRead C Documents O establizador compreende 6 fileRead C Documents componentes do modelo So i3 lt Estabilizador de sistemas de pot ncia EF Figura 32 Tela principal do Auto FDI Editor Na rea de representa o do sistema em destaque na Figura 33 est o os componentes de alarmes 81 E stabeirados de sistemas de pot ncia O extabkzado compreende 6 componentes do modelo Figura 33 Auto FDI Editor Componentes de alarmes Os alarmes de sintoma como o pr prio nome sugere representam os sintomas gerados durante a detec o de falhas Os sintomas s o ind cios da presen a de falha no sistema Durante a realiza o do diagn stico um alarme ir assumir a cor vermelha no intervalo de tempo em que componente do sistema ao qual ele est associado apresentar sintomas de falha Os alarmes de componente indicam que um determinado componente do
105. es do modelo Modelica s o alterados pelo usu rio atrav s da interface gr fica no Editor e ou Executor Atores Usu rio Final Etapas 1 Usu rio informa os novos valores dos par metros na interface gr fica do Editor ou do Executor 2 As altera es dos par metros s o refletidas no modelo Modelo de intera o a SAE SAEx Fa adeSmartDiag nl OMC t T T T I Perito loop for each param setParameter param setParameter param i setParameter param 4 Cen rio Execu o do diagn stico Especifica o Caso de Uso Execu o do diagn stico Descri o O usu rio operador inicia a realiza o do diagn stico Durante a execu o o resultado do diagn stico exibido nos elementos visuais do Executor gr ficos alarmes tela de exibi o falha etc Para iniciar o diagn stico o usu rio deve informar o intervalo de tempo da simula o valores de tempo inicial e final Atores Usu rio Final Etapas 1 O usuario informa o intervalo de tempo da simula o e inicia o diagn stico 2 O usu rio inicia a realiza o do diagn stico 3 O modelo Modelica simulado no OpenModelica para o intervalo de tempo fornecido 4 A cada instante de tempo lan ado um evento do rel gio A cada evento do rel gio os valores a serem exibidos s o coletados atrav s do modelo Pull 5 Os valores s o exibidos nos elementos visuais
106. es do sistema e pode ser aplicada em diferentes setores da ind stria Para concretiza o deste trabalho foi inicialmente realizada uma revis o bibliogr fica do estado da arte em t cnicas de detec o e diagn stico de falhas com o intuito de compreender o objetivo e aplicabilidade das abordagens existentes Esse estudo resultou na escolha de uma abordagem baseada em grafos para o isolamento de falhas devido principalmente a sua grande aplicabilidade em diversos contextos Tamb m foram feitos um levantamento e posterior an lise de ferramentas de detec o e diagn stico de falhas existentes na literatura Atrav s dessa an lise constatamos que as ferramentas existentes n o contemplam v rias caracter sticas e funcionalidades bastante relevantes Diante disto surgiu a motiva o para a cria o de uma nova ferramenta com o intuito de preencher algumas dessas lacunas deixadas e ainda comprovar a aplicabilidade da t cnica de isolamento de falhas desenvolvida Ao longo da disserta o foi abordado todo o processo de especifica o projeto e implementa o da ferramenta proposta Os requisitos foram obtidos a partir de conversas com os diversos stakeholders da ferramenta e atrav s da an lise das ferramentas existentes A partir de ent o foi definida a arquitetura para o sistema 109 apresentada no cap tulo 5 O projeto detalhado e aspectos de implementa o da ferramenta s o apresentados no cap tulo 6 O Au
107. g cio acessada atrav s de uma interface principal SmartDiagAPI Clientes externos podem ser escritos em linguagens da plataforma Net para acessar esta funcionalidade e Web Services fornece acesso l gica de neg cio para sistemas externos de forma independente de plataforma e de linguagem de programa o Os servi os s o disponibilizados atrav s da interface ISmartDiagWs 58 e SimForge ferramenta usada para cria o edi o e execu o dos modelos em Modelica que s o os modelos que descrevem o sistema Modelos do Sistema e os modelos que descrevem o processo de detec o de falha Modelos de Detec o Observe que a parte de teste n o foi inclu da para n o sobrecarregar a figura desnecessariamente Diagrama Interface com o usu rio Interface com usu rio AutoFD Auto FDI Editor Executor ISmartDiagAPI L gica de Neg cio Figura 23 Arquitetura Interface com o usu rio Coment rio Conforme j mencionamos na se o 4 2 o Auto FDI possui tr s tipos de usu rios o modelador o criador de diagnosticadores e o operador Para a cria o do modelo foi decidido usar uma ferramenta j existente o SimForge decis o 5 Para os perfis criador de diagnosticadores e operador temos duas interfaces gr ficas chamadas respectivamente de Auto FDI Editor e Auto FDI Executor A arquitetura baseada no padr
108. grafo Tendo em vista que o algoritmo de Tarjan encontra apenas os componentes fortemente conectados que s o alcan veis a partir do v rtice inicial passado no par metro para encontrar todos os componentes fortemente conectados necess rio fazer v rias chamadas ao algoritmo passando todos os v rtices que n o foram ainda visitados Esta opera o ilustrada no trecho de c digo abaixo foreach v in V do if v visited v visited true GraphRedution v C digo 2 Chamada ao algoritmo de reduc o do grafo 3 4 2 Computa o de Br Esta etapa do algoritmo recebe o grafo reduzido Gr e consiste em determinar Br o conjunto de todos os v rtices do grafo Gr com marca o de falha e que n o s o alcang veis a partir de outra aresta com marca o de falha O pseudoc digo do algoritmo exibido abaixo Cr Baseado em Wikipedia Tarjan s strongly connected components algorithm The Free Encyclopedia acessado em maio de 2008 31 ComputeBr Graph Gr foreach v in Ar do if v visited then DFS Visit Gr v Br Ar Cr DFS_Visit Graph g Vertice v v visited true foreach u in v gt adj do e g GetEdge u v if e Tag OK then Cr Cru u if u visited DFS Visit g u C digo 3 Computa o de Br Em linhas gerais o conjunto Br obtido da seguinte maneira Seja Cr 2 Faz se um caminhamento em profundidade no grafo Gr partindo de cada v rtice
109. gura 65 Ferramentas de desenho do SimForge eres 141 Figura 66 cone do modelo do sistema de excita o 141 Figura 67 Mensagem de verifica o de erros no modelo Sem erros 142 Figura 68 Op es para simula o do modelo c sse 142 Figura 69 Verifica o do resultado da simula o do modelo 143 Figura 70 Representa o visual do modelo de detec o de falhas 144 Figura 71 Modelo de detec o de falhas adi o do modelo do sistema 145 Figura 72 Modelo de detec o de falhas adi o dos adaptadores 146 Figura 73 Definindo o arquivo de entrada para o adptador sss 147 Figura 74 Modelo de detec o de falhas sais dan ID Pas 148 Figura 75 Modelo de detec o de falhas finalizado sss 149 xil Figura 76 Mensagem de verifica o de erros no modelo de detec o Sem erros 149 Figura 77 Ambiente de diagn stico para o sistema de excita o 151 Figura 78 Escolhendo o modelo do sistema e o modelo de detec o no Auto FDI Editor P 152 Figura 79 Auto FDI Editor Elementos da interface do editor 152 Figura 80 Auto FDI Editor Escolhendo uma imagem no editor 153 F
110. has multiplicativas no pacote Diagnostics FaultInjection Os par metros dos componentes de inje o de falhas s o alterados de mesma maneira que feito para outro componente do modelo Modelica O estudo de caso no Ap ndice C inclui uma se o sobre a simula o do processo de detec o e diagn stico de falhas se o 1 7 Os usu rios da ferramenta se mostraram satisfeitos com a implementa o deste requisito RNF 3 Arquitetura extens vel A ferramenta deve possuir uma arquitetura que permita ser estendida facilmente com a adi o de novos componentes 106 funcionais A adi o de componentes poder ser feita por terceiros sem necessidade de recompila o de c digo Coment rios Para atender ao requisito de extensibilidade o Auto FDI foi centrado em uma arquitetura baseada em componentes veja decis o arquitetural 1 no cap tulo 5 Uma arquitetura baseada em componentes permite a adi o de novos componentes com facilidade sem a necessidade de recompila o do c digo o que torna a solu o bastante flex vel 7 2 2 Avalia o de desempenho do isolamento autom tico de falhas A avalia o de desempenho do isolamento autom tico foi feita com base em estudos experimentais Durante a realiza o dos experimentos utilizou se um computador pessoal com processador Intel Core 2 Duo E4600 3 00 GHz com 2GB de mem ria RAM Os experimentos foram feitos atrav s da execu o do algoritmo de iso
111. has usando t cnicas baseadas em modelo do sistema e THOUCIO CC Sal sien rosa acutae esten cucina od ab uu 105 Figura 48 Desempenho do isolamento autom tico para grafos densos 108 Figura 49 Tela inicial do Auto FDL S aee O vere e UE E ERN 125 Figura 50 Criando um projeto novo no SimForge eres 127 Figura 51 Criando um arquivo no SimForge essen 129 Figura 52 Area de montagem do modelo do SimForge eee 130 Figura 53 Ajustando o tamanho da rea de montagem do modelo 130 Figura 54 Representa o visual do modelo do sistema de excita o do tipo STIA 131 Figura 55 Inserindo o componente PSSGain sese 131 Figura 56 Componente PSSGain na rea de montagem visual do modelo 132 Figura 57 Modelo parcial do sistema de excita o sse 133 Figura 58 Conectando componentes no SimForge ssessesseeeeee 134 Figura 59 Modelo parcial do sistema de excita o sse 135 Figura 60 C digo Modelica com a defini o dos par metros ssss 137 Figura 61 Alterando o par metro do componente Sum sse 138 Figura 62 Modelo parcial do sistema de excita o sse 139 Figura 63 Definindo a causalidade do conector Verror input 140 Figura 64 Modelo parcial do sistema de excita o sss 140 Fi
112. iactis i a a ea anaes 84 6 2 2 ObjectSta EE 86 6 2 3 WET M AL SIRI GL doas cat ta E ny a A ET ath ale dust re baie 87 6 2 4 DIQBPOSTIQS i nei e aite Gy E naka cs Ashes eas 88 6 3 Organiza o do sistema assent asun ice tunc tec No pers t esed t e eae 90 6 3 1 O pacale JV AINE WONK corde dtes roto teta ee tak eds le derer eve dee de EA ce Seas 92 6 3 2 O pacot isolati n cissie eare E p ehe Spa 93 6 3 3 O pacote detection dass cr eias arava cast ii dq e RR bED AN Mete bU ias 94 6 3 4 O pacote modelic comm uhicallon uu e e is e ee e qct ancas 94 7 Verifica o e dde 0 sese Rd tata e e ied nite M 96 7 1 Metodologia de testes ara spa eun teste pe i pe n Mite deed 96 E2 Valida o da fetFabiiei dido tue ui in ipt ttu tanus bea ta n ad 97 7 2 1 Satisfa o dos requisitos 2i Lese tete quitte ss fox e deae ease vid ex epe 98 24 2 Avalia o de desempenho do isolamento autom tico de falhas 107 8 Conclus o e Sugest es para Trabalhos Futuros eene 109 8 1 Sugest es para Trabalhos BUt toS o 2 0854 eer ep ret ee tere HQ E 111 Ap ndice A c TerPatiolog las ties doses inet o t EEE Add p tapes imu ee 113 Ap ndice B Ferramentas de ap io detec o e diagn stico de falhas 115 Lt DIAG e te e Rt aM tS eau ee EU aat aee 115 13 2 SAND sesso aia e uin aded atn edt deed 117 L3 CMOGBUU sas see epe dd adele deka nig toa Pa cus ihn iad da a 118 tdo FBDLEIOOLBOX iste e a aa itai di a
113. ices usos Dad OA RED Ss 64 Figura 29 Mecanismo de conex o da linguagem Modelica suus 70 Figura 30 Tela inicial da ferramenta Auto FDI eese 79 Figura 31 Tela principal do SimiPOrBecs as e ERA E ae OE UE aa 80 Figura 32 Tela principal do A to EDI Editor scans eee te tetris aaa 8l Figura 33 Auto FDI Editor Componentes de alarmes sese 82 Figura 34 Auto FDI Editor Diferen a entre os componentes de alarme 83 Figura 35 Tela principal do Auto FDI Executor eene 84 Figura 36 Pacotes da Biblioteca Padr o Modelica eee 85 Figura 37 Pacotes da biblioteca ObjectStab seeds ct neis nea a td 86 Figura 38 Pacotes da biblioteca ExtendedPetriNet seen 88 Figura 39 Pacotes da biblioteca Diagnostics 88 Figura 40 Principais pacotes da ferramenta Auto FDI sse 9 Figura 41 Diagrama de classes do pacote 3s0lation dte c nett nta 93 Figura 42 Diagrama de classes do pacote detection sss 94 xi Figura 43 Diagrama de classes do pacote modelicacommunication 95 Figura 44 Verifica o de inconsist ncias no modelo sss 100 Figura 45 Modelo de Detec o para o sistema de excita o 103 Figura 46 Modelo com componentes de liga o sssssssseee 104 Figura 47 Detec o de fal
114. ics FaultInjection MultiplicativeFault 5 4 Comportamento Din mico Esta se o descreve o comportamento din mico do sistema atrav s de alguns cen rios do uso do sistema Os cen rios descrevem como a arquitetura responde a determinados est mulos externos Os cen rios s o especificados tanto numa vis o externa quando numa vis o interna Para a vis o externa um Caso de Uso de comportamento especifica um conjunto intera es entres atores do ambiente e o sistema Para a vis o interna um modelo de intera o mostra como os componentes colaboram para produzir o comportamento desejado Cen rio Escolha do Modelo do Sistema Especifica o Caso de Uso Escolha do Modelo do Sistema Descri o Ao criar um novo ambiente de diagn stico o usu rio 72 escolhe o modelo do sistema a ser usado durante a realiza o do diagn stico Atores Usu rio final criador de diagnosticadores Etapas 1 Usu rio inicia a cria o de um novo ambiente de diagn stico 2 exibida uma tela com a listagem de todos os modelos existentes em um diret rio pr definido da aplica o 3 O usuario escolhe o modelo a ser usado no diagnosticador Modelo de intera o Usu rio Final Tela de Escolha Diret rio de Usu rio Final Iela de Escolha Diret rio de ee ACIOISS do Modelo Fa adeSmartDiag SmartDiagConfig Argues T
115. ie 120 1 5 Um Framework para Aux lio na Cria o de Diagnosticadores de Falhas em BIST RAS sse o t utet nn la mu i tes ate t 121 1 6 Quadro Comparativo qoe uci reete Ia edi asus 121 Ap ndice C Manual da ferramenta u c eno en eere eor aa inn etg bera are dleeUe 123 1 1 Vis o Geral do Auto EDI iss ettet dede reae Deseret ea a es 123 1 2 Iniciando Auto BM os oc od ni iai a A RS se odd 125 1 3 Cacao do Modelo e etie titt baia bet ete 126 1 4 Cria o do Modelo de Detec o de Falhas sss 143 1 5 Cria o do ambiente de diagn stico see 150 1 6 Realiza o do diagn stico e avalia o dos resultados 160 1 7 Simula o do processo de detec o e diagn stico de falhas 163 Ap ndice D Cen rios de Isolamento Autom tico de Falhas sss 168 Bibliografia cssanasiaiisissaess intra tt apte ga co sta Rata NAR EILIR MEATUS EO Mu 03 Mia SEATS Eod qua haras 177 Lista de S mbolos e abrevia es ARRs Analytical Redundancy Relations CHESF Companhia Hidro El trica do S o Francisco DCS Decentralised Control System DDF Detec o e Diagn stico de Falhas DSS Decision Support System FDI Fault Detection and Isolation IFAC International Federation of Automatic Control LS Least Squares MIMO Multiple Input Multiple Output P amp ID Process and Instrumentation Diagra
116. igura 81 Representa o visual do sistema sese 154 Figura 82 representa o visual x estrutura do modelo sss 154 Figura 33 Alarmes 0i tiae s t D ANM ORUM FOR MATUS Tat RO ARAS UHR AER ERS aspas 155 Figura 84 Alarmes de sintoma x alarmes de componentes sss 156 Figura 85 Adicionando um alarme de componente eeee 156 Figura 86 Auto FDI Editor Adicionando uma nova aba sess 157 Figura 87 Escolhendo as vari veis a serem plotadas no gr fico ssse 157 Figura 88 Auto FDI Editor Adi o de gr ficos ea 158 Figura 89 Auto FDI Editor Aba com imagem da estrutura do modelo 159 Figura 90 Auto FDI Editor Lista de par metros 159 Figura 91 Auto FDI Editor Adicionando par metros em uma nova aba 160 Figura 92 Escolhendo o ambiente de diagn stico eee 161 Figura 93 Auto FDI Editor Ambiente de diagn stico aberto ssssse 162 Figura 94 Execu o do Diagn stico Identifica o de uma falha no Gerador 163 Figura 95 Modelo de Detec o para o Sistema de Excita o sssse 165 Figura 96 Modelo do Sistema de Excita o com componentes de inje o de falha 166 Figura 97 Inje o de Falhas a modelo sem componente de inje o de falha b
117. ilitem a constru o de modelos O processo de detec o de falhas ser descrito na linguagem Modelica RFs Modelo de sistema e modelo de sinal Realiza o do diagn stico Simula o do diagn stico RNFs Integra o com ferramentas de modelagem O processo de detec o de falhas que inclui a gera o e avalia o de res duos ser descrito em Modelica Chamamos esse modelo de Modelo de Detec o 46 Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens e Facilita o desenvolvimento de componentes de diagn stico al m de permitir usar todos os componentes e fun es Modelica j dispon veis e Aumenta a flexibilidade na constru o do processo de detec o de falhas possibilitando tamb m uma melhor intera o com o modelo do sistema e Possibilita usar todas as funcionalidades de cria o edi o e simula o da ferramenta de modelagem durante a implementa o do processo de detec o de falhas Requer que o usu rio que ir implementar o processo de detec o de falhas conhe a a linguagem Modelica Um modelo de detec o default pode ser gerado autom ticamente Usar a ferramenta SimForge Princ pio buy don t build RFs Cria o de Modelos Interligar modelos de tipos diferentes Adi o de novos modelos Verifica o de consist ncia de modelos Execuc o de modelos RNFs Integra o com ferramentas de modelagem Usar a ferr
118. ilizada para encontrar erros nos modelos fazer a compara o entre o modelo te rico e modelo experimental do mesmo sistema Se esses dois modelos apresentarem diferen as significativas nos resultados significa que houve erros durante o processo de modelagem Um estudo detalhado sobre a modelagem do sistema para aplica o em diagn stico de falhas pode ser encontrado em SFP2002 18 3 Uma abordagem para o isolamento de falhas Cap tulo 3 Neste cap tulo introduzimos o Isolamento Autom tico de Falhas uma abordagem de isolamento de falhas em sistemas baseada em grafo No decorrer do cap tulo ser discutida a fundamenta o te rica da t cnica fazendo um comparativo com t cnicas existentes na literatura Por fim ser o discutidos alguns aspectos de sua implementa o 3 1 Introdu o Sistemas industriais modernos est o cada vez maiores e mais complexos o que torna o isolamento de falhas uma tarefa bastante dif cil Como j dissemos tais sistemas s o tipicamente constitu dos de uma grande quantidade de subsistemas dezenas ou centenas interligados atrav s de rela es de conex es em s rie paralelo feedback etc Por subsistema ou componente entende se como uma unidade funcional do sistema que possui uma fun o espec fica GSHC2006 Quando ocorrem falhas em componentes do sistema o efeito pode se propagar para outros componentes dificultando a localiza o da origem das falhas Al m disso
119. imos valores de res duos Exemplos de outros componentes que possivelmente ser o adicionados neste pacote incluem componentes de avalia o de res duos usando redes neurais e l gica fuzzy A fase de detec o de falhas descrita na se o 2 3 1 InputAdapters Cont m componentes chamados adaptadores para leitura dos sinais de entrada e sa da do sistema de modo a permitir a inje o desses sinais no modelo Os adaptadores s o componentes que sabem como acessar esses dados Um exemplo de um componente adaptador de entrada usado constantemente nos modelos constru dos neste trabalho o TabulatedFileReader Este componente l arquivos em um formato espec fico onde cada linha do arquivo dividida em duas colunas separadas por caractere de espa o A primeira coluna cont m valores num ricos representando os tempos de medi o A segunda cont m os valores das vari veis medidos ao longo tempo Exemplos de outros componentes que possivelmente ser o adicionados neste pacote incluem adaptadores que obt m dados de arquivos de variados formatos COMTRADE por exemplo muito utilizado em sistemas de pot ncia de banco de dados de WebServices etc Signal Inclui modelos de sinais que poder o ser usados para implementar o processo de detec o de falhas M todos de detec o de falhas baseados em modelos de sinais levam em considera o caracter sticas dos sinais de sa da do sistema como por exemplo frequ ncia
120. intes tipos 1 Redes neurais do tipo Perceptron de M ltiplas Camadas 2 Redes Neuro Fuzzy 3 Redes Neuro Fuzzy Takagi Sugeno Kang 4 Modelos fuzzy Wang Mendel Esses modelos s o constru dos atrav s da an lise de dados medidos do sistema durante sua opera o normal sem falha utilizando variados algoritmos de treinamento O isolamento de falhas realizado atrav s do m todo F DTS descrito em KKKC2004 e faz uso de l gica fuzzy para a gera o e avalia o de res duos As rela es entre os sintomas e as falhas s o definidas previamente por especialistas humanos e armazenadas na forma de um sistema de informa o A ferramenta apresenta v rios pontos positivos Entre eles ressaltamos a grande quantidade de t cnicas permitidas para implementa o dos m todos de detec o e diagn stico de falha possibilitando assim a escolha do m todo mais apropriado para cada tipo de sistema Outro ponto positivo que podemos destacar robustez aos ru dos e incertezas que possam afetar o sistema veja robustez na se o 2 2 A ferramenta permite tamb m a exposi o dos resultados da an lise de falha para que essa informa o possa ser utilizada em outros sistemas como por exemplo para visualiza o nos sistemas DCS ou SCADA Al m disso sua arquitetura e os m todos de detec o e diagn stico usados permitem o desenvolvimento cont nuo do DIAG atrav s da extens o do conhecimento sobre o sistema monitorado O
121. intoma FileReader File Reader FileReader File Reader FileReader FileReader FileReader FileReader Figura 70 Representac o visual do modelo de detecc o de falhas Primeiro vamos arrastar o modelo do sistema criado anteriormente Caso n o lembre o modelo do sistema est em Modelica classes na janela de navega o de 144 componentes Informe modelo para o nome do componente e posicione redimensione o componente conforme desejado A Figura 71 mostra a rea de montagem ap s a inclus o do modelo do sistema Observe que aparece o cone que criamos anteriormente para o modelo Figura 71 Modelo de detec o de falhas adi o do modelo do sistema Agora vamos incluir no modelo de detec o os adaptadores de entrada Conforme j dissermos anteriormente os adaptadores permitem a inje o dos sinais obtidos do sistema Estes sinais ser o comparados com os valores obtidos do modelo do sistema a fim de que sejam gerados os res duos O adaptador que usaremos ser o LeitorDeArquivos que est dispon vel na biblioteca de componentes do Auto FDI Diagnostics Um componente LeitorDeArquivo obt m os valores de apenas uma vari vel do sistema Assim arraste 10 componentes LeitorDeArquivo um para cada vari vel de sa da do sistema Verror adapter AVR adapter Sum adapter Limiter adapter PSSGain adapter WashOut adapter PhaseCompensationl adapter
122. ional and bond graph tools for FDI design Control Engineering Practice CEP journal 13 7 875 891 2004 OpenModelica site http www ida liu se pelab modelica OpenModelica html Pontes Renata Fran a Um Framework Para Aux lio Na Cria o 180 Preiss98 Rao1993 Rao1996 Sauve2007 SFP2002 Sim Sommerville2004 SS2004 Tarjan1972 TBR 1999 De Diagnosticadores De Falhas Em Sistemas Disserta o de Mestrado COPIN CCT UFCG Fevereiro 2008 Preiss Bruno R Data Structures and Algorithms with Object Oriented Design Patterns in C Wiley 1998 Rao N S Computational Complexity Issues in Operative Diagnostics of Graph Based Systems IEEE Trans Comput 42 4 Apr 1993 447 457 Rao N S V On parallel algorithms for single fault diagnosis in fault propagation graph systems Parallel and Distributed Systems IEEE Transactions on vol 7 no 12 pp 1217 1223 Dec 1996 Sauv J Projeto Arquitetural do Sistema SIEx Projeto SIEx 2007 Simani S Fantuzzi C Patton Ron J Model based Fault Diagnosis in Dynamic System Using Identification Techniques Springer 2002 SimForge site https trac elet polimi it simforge Sommerville Ian Software Engineering 7 Edition Addison Wesley 2004 Steinder M Sethi A S A survey of fault localization techiques in computer networks Science of Computer Programming Special Edition on Topi
123. iretamente na ferramenta de modelagem sem a necessidade de ter um programa servidor para fornecer esses dados e Permite configurar os par metros desses componentes na ferramenta de modelagem Modelica e Possibilita interligar estaticamente e visualmente a sa da dos adaptadores aos componentes do modelo Modelica Caso os adaptadores n o fossem componentes Modelica isso n o seria poss vel A equipe de desenvolvimento poder ter mais dificuldade em criar componentes na linguagem Modelica do que se fosse feito em C Caso os adaptadores de fontes n o fossem componentes Modelica para executar os modelos na ferramenta de modelagem Modelica no SimForge por exemplo seria necess rio ter um programa servidor rodando para fornecer os dados para o modelo Seria inevit vel tamb m que o modelo soubesse da exist ncia desse servidor e fizesse as requisi es quando necessitasse dos dados Componentes especiais para conectar modelos de tipos diferentes RFs Cria o de Modelos 51 12 Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Componentes Modelica especiais chamados conectores s o usados para interligar modelos de tipos diferentes Esses componentes recebem um determinado tipo de sinal como entrada como por exemplo um valor real e produz como sa da um sinal de outro tipo um sinal booleano por exemplo Os co
124. isitos do sistema Permitir o uso de modelos n o causais para realiza o da detec o e diagn stico de falhas Esses tipos de modelos n o especificam explicitamente as entradas e sa das do sistema ou seja n o especificam quais vari veis do modelo s o de entrada e quais s o de sa da Permitir o uso apenas de modelos causais constitui uma limita o do presente trabalho Isso porque o isolamento autom tico precisa conhecer o sentido do fluxo para construir o modelo de propaga o de falhas do sistema 112 Ap ndice A Terminologia Com o intuito de facilitar a leitura e compreens o da disserta o apresentamos neste ap ndice a terminologia utilizada nesta monografia Consultando a literatura constata se que a terminologia utilizada na rea n o nica e muitas vezes inconsistente Grande parte da terminologia apresentada aqui resulta do esfor o do Comit T cnico SAFEPROCESS em encontrar uma terminologia que seja comumente aceita O resultado desse esfor o foi publicado em Isermann e Ball Outras defini es podem ser encontradas em Gertler Simani 1 Estados e Sinais Falha Um desvio n o permitido de pelo menos uma propriedade caracter stica ou de uma vari vel do sistema de seu comportamento aceit vel usual ou padr o Dist rbio Uma entrada adicional e desconhecida atuando no sistema Ru do Uma entrada adicional e desconhecida atuando no sistema com comportamento aleat rio e com m
125. isserta o est organizada como segue O Cap tulo 2 apresenta a teoria relacionada detec o e diagn stico de falhas em sistemas com nfase em t cnicas baseadas em modelos Tamb m s o abordadas as principais t cnicas de detec o e diagn stico de falhas encontradas na literatura No Cap tulo 3 introduzida uma t cnica de isolamento de falhas desenvolvida neste trabalho O levantamento de requisitos o projeto da arquitetura e aspectos de implementa o da ferramenta proposta s o tratados nos cap tulos 4 5 e 6 respectivamente O Cap tulo 7 apresenta como foi feita a verifica o e valida o da ferramenta E por fim no Cap tulo 8 est o as considera es finais e sugest es para trabalhos futuros Al m destes cap tulos este documento inclui quatro ap ndices O Ap ndice A cont m a terminologia adotada neste trabalho O Ap ndice B cont m uma an lise de algumas ferramentas de ap io detec o e diagn stico de falhas existentes na literatura No Ap ndice C apresentado um tutorial para realiza o de um estudo de caso usando a ferramenta desenvolvida No Ap ndice D s o expostos alguns cen rios de configura o de sistemas com o respectivo resultado do isolamento de falhas 2 Detec o e diagn stico de falhas em sistemas Cap tulo 2 Este cap tulo tem como objetivo apresentar os conceitos necess rios para melhor entendimento deste trabalho Ser apresentada a teoria relacionada detec o e
126. istema s o descritos bem como as classes e interfaces principais que comp em cada pacote A seguinte conven o de nomes adotada nomes de interfaces come am com a letra T e nomes de classes abstratas come am com a palavra Abstract 6 3 1 O pacote framework Este pacote cont m um conjunto de interfaces e classes abstratas que podem ser usadas para a implementa o de solu es de diagn stico de falhas em geral Ele prov a funcionalidade abstrata comum a este dom nio de problema A implementa o deste pacote foi baseada em parte em um outro trabalho intitulado Um framework para aux lio na cria o de diagnosticadores de falhas em sistemas cuja refer ncia Pontes2008 Ele foi projetado para ser o mais extens vel e flex vel poss vel permitindo o reuso em outras aplica es de diagn stico Neste pacote est o inclusas as interfaces que definem a arquitetura do Auto FDI e que foram descritas no cap tulo 5 Dirija se quele cap tulo para obter a descri o de cada interface 92 6 3 2 O pacote isolation Este pacote cont m as classes que implementam o isolamento de falhas do processo de detec o e diagn stico de falhas Foram implementados dois m todos de isolamento de falhas o isolamento usando matriz bin ria de diagn stico Binary Diagnostic Matrix BDM em ingl s e o isolamento autom tico usando uma t cnica baseada em grafo O diagrama com as principais classes do pacote
127. istemas da Chesf A biblioteca cont m modelos de geradores linhas de transmiss o sistemas de rea o ativa tais como capacitores e atuadores transformadores sistemas de excita o de geradores entre outros A biblioteca consiste dos seguintes pacotes Examples Generators Network ian Figura 37 Pacotes da biblioteca ObjectStab Abaixo segue uma breve descri o de cada pacote e ObjectStab Base Cont m a defini o comum a todos os subpacotes incluindo as unidades de grandezas p u e ObjectStab Examples Prov v rios exemplos de modelos de sistemas de pot ncia e ObjectStab Generators Cont m o modelo de v rios tipos de geradores e ObjectStab Loads Cont m a defini o de tipos de modelos de carga 86 e ObjectStab Network Cont m o modelo de v rios componentes de rede tais como linha de transmiss o disjuntor etc e ObjectStab petril Pacote auxiliar para a cria o de modelos usando o formalismo de redes de Petri 6 2 3 ExtendedPetriNet ExtendedPetriNet ExtendedPetriNet uma biblioteca Modelica gratuita especializada em modelagem de sistemas usando o formalismo de redes de Petri Ela foi adicionada ao Auto FDI devido ao requisito Cria o de Modelos que especifica que deve ser poss vel criar modelos representados por redes de Petri Redes de Petri uma poderosa t cnica de modelagem e especifica o de sistemas e que possui uma grande rea de ap
128. lamento autom tico em modelos de propaga o de falhas gerados randomicamente veja se o 3 2 Foram criados dois cen rios para os experimentos o primeiro com modelos de propaga o de falhas esparsos e o segundo com modelos de propaga o de falhas densos Os modelos esparsos foram gerados com uma quantidade de arestas do grafo igual a cinco vezes o n mero de v rtices J os modelos densos foram gerados com o n mero m ximo de arestas no grafo ou seja e n n 1 onde n e e s o respectivamente o n mero de v rtices e de arestas do grafo Em ambos os cen rios foram gerados modelos de propaga o de falhas variando se o n mero de componentes do modelo iniciando em 100 chegando at 1000 com incremento de 100 Os modelos foram gerados com 30 de probabilidade de uma sa da de um componente apresentar sintoma de falha e 30 de probabilidade de uma sa da um componente apresentar estado indeterminado Seja G V E um grafo onde V o n mero de v rtices e E o n mero de arestas do grafo G um grafo esparso se E O V enquanto que G um grafo denso se E O V Preiss98 107 Para ambos os cen rios o isolamento autom tico foi realizado com desempenho satisfat rio Para modelos esparsos o isolamento para at 1000 componentes foi feito em menos de 100ms tempo bem abaixo do tempo m ximo exigido como requisito 10 segundos Em modelos densos o isolamento para at 1000 componente
129. lica e produz os eventos OutputEvent e DetectionEvent OutputEvent permite obter o valor das vari veis de sa da do modelo e dos adaptadores de entrada enquanto que DetectionEvent permite obter o valor das vari veis dos componentes de detec o O componente ModelicaCommunication implementa as interfaces OutputObservable e IDetectionObservable permitindo que sejam cadastrados interessados em escutar os eventos OutputEvent e DetectionEvent atrav s do padr o Observer Isolador Componente que implementa o algoritmo de isolamento de falhas ouvinte do rel gio ClockListener Ao receber um ClockEvent este componente executa o algoritmo de isolamento de falhas para o tempo em quest o e disponibiliza o resultado do isolamento atrav s do evento IlsolatorEvent Este componente implementa a interface IsolatorObservable permitindo que sejam cadastrados interessados em escutar o eventos do tipo solatorEvent FacadeSmartDiag Prov um ponto de acesso nico para toda a l gica de neg cio atrav s da interface SmartDiagAPI 61 Diagrama Modelo de Detec o Modelo Modelica Modelo do Sistema ISaidaTemporalContinua ISaidaTemporalContinua ISaidaTemporalBooleana S Gera o a A Avalia o d s Res duos Res duos net Arquivos dos Adaptador ad ISaidaTemporalContinua Sistemas Sistema Conjunto de Componentes O P Oo Oo ISai
130. licabilidade especialmente na modelagem de sistemas em que o sincronismo entre os eventos essencial CV 1997 A Biblioteca Padr o Modelica j disp e de um pacote para a modelagem de sistemas usando redes de Petri que implementa o formalismo de redes de Petri com prioridades determin sticas pacote Modelica StateGraph Este tipo de redes de Petri adequado por exemplo para especifica o de um sistema de controle mas tem limitado poder de express o em outros dom nios de problemas CV 1997 A biblioteca ExtendedPetriNet estende a biblioteca de redes de Petri da Biblioteca Padr o Modelica com e Transi es que permitem atrasos estoc sticos ou determin sticos antes de disparar e Lugares places capazes conter mais de um token Com isso redes de Petri estoc sticas podem ser modeladas A Figura 38 ilustra os pacotes da biblioteca ExtendedPetriNet 87 Place01 Place10 Place11 Place21 Place12 Interfaces Examples Place22 Transition Parallel Synchronize Modules ExamplesE Eisanaion ET e E Figura 38 Pacotes da biblioteca ExtendedPetriNet 6 2 4 Diagnostics A biblioteca Diagnostics re ne um conjunto de componentes que foram criados durante este trabalho com o prop sito de facilitar a constru o de modelos usados para realiza o do diagn stico Entre os componentes desta biblioteca est o componentes de gera o de res duos de avalia o de res duos de inje o de sinais de inj
131. lsionado a automa o dos processos industriais Conseq entemente os sistemas que comp em tais processos desempenham um papel cada vez mais importante sistema aqui pode ser entendido um conjunto de entidades interdependentes que interagem para realizar uma determinada fun o O funcionamento inadequado desses sistemas pode trazer grandes perdas econ micas causar danos ao meio ambiente e at mesmo colocar vidas humanas em perigo Portanto importante localizar eventuais falhas o mais r pido poss vel permitindo que a es corretivas sejam tomadas Por outro lado a complexidade dos sistemas envolvidos nos processos industriais e a enorme quantidade de informa o a ser considerada dificultam o processo de supervis o e controle das organiza es Sistemas modernos s o tipicamente constitu dos de uma grande quantidade de subsistemas componentes interligados Quando ocorrem falhas em determinados componentes o efeito se propaga afetando outros componentes do sistema Al m disso comum que em alguns componentes do sistema n o existam sensores de falhas ou alarmes Com isso n o poss vel conhecer o estado destes componentes com falha ou sem falha o que agrava ainda mais o problema Em meio a essa dificuldade os operadores dos centros de supervis o s vezes n o percebem o surgimento de eventuais falhas ou cometem erros no diagn stico das mesmas Diante disso surge a necessidade de uma solu o computacional q
132. lt Interface gt gt IModelicaAdapter LoadFile modelPath string LoadModelicaLibrary Clear GetAllModelCom ponents modelName string IList GetModelComponents OfType modelName string componentType string IList GetModelOutputCom ponents modelName string IList GetConnectionCount modelName string int GetNthConnection modelName string int i Connection GetSimulationValue var string time double double imulate modelName string startTime double stopTime double GetParameterValue modelName string paramName string etParameterValue modelName string paramName string double value P a OpenModelicaAdapter DymolaAdapter Figura 43 Diagrama de classes do pacote modelicacommunication A interface ModelicaApdater funciona como uma ponte entre o sistema Auto FDI e o software de execu o do modelo Modelica permitindo f cil acesso informa es sobre o modelo Modelica estrutura do modelo do sistema as vari veis par metros etc e ao resultado da simula o do modelo As classes OpenModleicaAdapter e DymolaAdapter implementam esta interface e obt m essas informa es atrav s das ferramentas OpenModelica e Dymola respectivamente 95 7 Verifica o e Valida o Cap tulo 7 Neste cap tulo apresentamos a metodologia utilizada para a verifica o e valida o do Auto FDI Verifica o e Valida o V
133. m SAFEPROCESS Fault Detection Supervision and Safety of Technical Process SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output Lista de Figuras Figura 1 baseada em KKKC2004 Sistema composto por atuadores planta e SEDSDIES ede cras a ei ed dea idc adiecta dead uA Re Ne ee D eee tee DS 7 Figura 2 Falha aditiva vs Falha multiplicativa serere 8 Figura 3 Classifica o das falhas em rela o depend ncia no tempo 8 Figura 4 retirada de Pontes2008 Estrutura de um sistema de detec o e diagn stico de falhas baseados em modelos erroe lebte acta ca es tee dent 11 Figura 5 Etapas da Deteecaorde Pallid coe eie eer DS ape a 11 Figura 6 baseada em Munoz1996 Gera o de residuos ssssssssss 12 Figura 7 baseada em Isermann2006 Unifica o de sintomas no processo de detec o e diagn stico de Talis dia a i A a EA Ge sos es 14 Figura 8 M todos de isolamento e identifica o de falhas ssssss 15 Figura 9 Uso de m todos de classifica o para o diagn stico de falhas 15 Figura 10 Classifica o de sistemas de acordo com a quantidade de entradas e sa das 17 Figura 11 retirada de Rao1993 Sistema de esfriamento de cido n trico a Diagrama de bloco funcional b Modelo de propaga o de falhas
134. m algoritmo para o isolamento de falhas sob a suposi o de que no m ximo dois elementos do sistema podem apresentar falhas ao mesmo tempo double fault diagnosis problem O algoritmo chamado D FAULTS com complexidade O n no pior caso onde n o n mero de v rtices do grafo No entanto embora a hip tese pressuposta nesses estudos nica falha ou no m ximo duas falhas possa ser aplicada em alguns contextos ela irrealista para grande parte dos sistemas do mundo real Devido complexidade inerente aos sistemas industriais modernos n o s o raros os casos em que v rios componentes do sistema apresentam falha no mesmo instante de tempo Sendo assim consideramos neste trabalho o isolamento em sistemas com m ltiplas falhas O problema consiste em determinar o conjunto de componentes 23 potencias fontes de falhas potential failure sources Ps em ingl s levando em considera o a propaga o de falhas e a falta de informa o sobre determinados componentes do sistema devido a aus ncia de sensores nestes componentes Depois de determinar Ps os componentes de Ps s o testados fisicamente e as devidas a es s o tomadas reparando ou substituindo os componentes que realmente apresentarem falha Conforme mostrado em Rao1993 o isolamento de falhas quando considera um n mero arbitr rio de componentes com falha NP completo Em FPDM2001 apresentado um algoritmo heur stico computacionalmente
135. m tomadas Analisando os usu rios da ferramenta podemos perceber que existem diferen as entre os perfis uns t m experi ncia com modelagem de sistemas enquanto que outros n o uns possuem conhecimento sobre o sistema a ser avaliado e outros n o Essa caracter stica foi um fator crucial durante o levantamento de v rios requisitos do sistema como por exemplo o tipo de interface gr fica a ser disponibilizada para cada tipo de usu rio 4 3 Requisitos Nesta se o apresentamos os requisitos funcionais e n o funcionais da ferramenta Segundo Sommerville2004 os requisitos funcionais s o descri es dos servi os fornecidos pelo sistema Em alguns pode se tamb m estabelecer explicitamente o que o sistema n o deve fazer J os requisitos n o funcionais s o restri es sobre os servi os ou fun es oferecidos pelo sistema e atributos de qualidade dos mesmos Os requisitos da ferramenta foram obtidos a partir de conversas com os diversos stakeholders da ferramenta cliente usu rios desenvolvedores e atrav s da an lise de ferramentas existentes veja ap ndice B Alguns desses requisitos foram levantados por Pontes2008 em um outro trabalho inserido no projeto Smart Analysis Os requisitos foram agrupados em conjuntos coerentes Por exemplo os requisitos funcionais foram classificados em requisitos de cria o de modelos requisitos de cria o de diagnosticadores etc os requisitos n o funcionais em requisi
136. ma 28 Etapas do Isolamento Autom tico Complexidade de Tempo 1 Redu o do Grafo O n e 2 Computa o de Br O ka n e 3 Computa o de Ps O k n e Tabela 2 Etapas do algoritmo de Isolamento Autom tico de Falhas Nas se es seguintes cada uma das etapas do algoritmo discutida em detalhes 3 4 1 Redu o do grafo Conforme discutido anteriormente quando ocorre uma falha em determinado componente de um ciclo do sistema e a falha se propaga por todos os componentes do ciclo o isolamento de falhas se limita a identificar o conjunto de componentes fortemente conectados com pelo menos um componente com falha pois n o poss vel identificar qual o componente que gerou a falha Em trabalhos correlatos Rao1993 Rao1996 CS2001 utiliza se um modelo reduzido do sistema obtido atrav s da contra o de todos os componentes fortemente conectados em um nico v rtice do grafo pois consideram um modelo de propaga o em que as falhas sempre se propagam O resultado um grafo ac clico chamado grafo condensado do sistema system condensed graph em ingl s Neste trabalho a redu o do grafo consiste em obter um novo grafo Gr a partir do FPM contraindo em um nico v rtice de Gr somente os componentes fortemente conectados em que todos os componentes do ciclo apresentam sintomas de falha ou possuem estado indeterminado Os exemplos a seguir ilustram os grafo obtido atrav s da redu
137. mb m aqueles que utilizam um modelo do sistema representado por grafos CS2001 Rao1993 Rao1996 FPDM2001 DPRS 1995 Esses modelos chamados frequentemente de modelos de propaga o de falhas s o excelentes para expressar a din mica de evolu o de falhas em sistemas e tem se mostrado bastante til no desenvolvimento de algoritmos de diagn stico eficientes FPDM2001 Os m todos de diagn stico baseadas em grafos tem despertado um grande interesse devido a sua efic cia e grande aplicabilidade Essa abordagem ser discutida em detalhes no cap tulo 3 2 4 Modelagem do sistema A constru o do modelo uma das quest es mais importantes e mais dif ceis quando empregamos a t cnica de DDF baseada em modelos Um bom modelo que reproduza da maneira mais fiel poss vel o comportamento do sistema pode melhorar significativamente o resultado da an lise de falhas SFP2002 Para obter um bom modelo necess rio conhecer bem as propriedades dos sistemas a serem modelados De acordo com Gertler Gertler1998 as propriedades mais importantes do sistema s o e Est ticos versus din micos Em sistemas est ticos tamb m chamados sistemas sem mem ria as suas sa das em qualquer instante dependem apenas de suas entradas no mesmo instante Em contraposi o em sistemas din micos as sa das em um determinado instante s o influenciadas tamb m por entradas ou sa das em outros instantes passados ou futuro
138. mentos redundantes se tornando invi vel em algumas situa es onde o espa o f sico limitado O uso dessa abordagem tem se restringido a sistemas de seguran a cr tica Munoz 1996 Outra abordagem utilizada o diagn stico de falhas baseado em modelos redund ncia anal tica que utiliza um modelo que descreve o comportamento real do sistema Atrav s da compara o entre o comportamento do sistema e o comportamento esperado obtido do modelo poss vel identificar anormalidades no sistema H um crescente interesse na teoria e aplica o de solu es de detec o e diagn stico baseada em modelos De acordo com Isermann2006 Gertler1998 SFP2002 essa abordagem tem sido a mais utilizada Isso ocorre principalmente devido ao reduzido custo pois n o h a necessidade da instala o de componentes de hardware extra uma vez que o diagn stico de falhas baseado em modelos realizado via software em um computador Al m disso a detec o e diagn stico de falhas baseados em modelos apresenta uma teoria bem consolidada com uma grande publica o de estudos na rea Podemos encontrar na literatura v rios trabalhos que descrevem a implementa o e aplica o de ferramentas de apoio ao diagn stico de falhas em sistemas uma descri o e um quadro comparativo das principais ferramentas s o apresentados no Ap ndice B Dentre os trabalhos existentes podemos destacar DIAG KKKC2004 AMandD Advanced and Monit
139. mo podemos observar na figura somente o Gerador realmente uma fonte potencial de falha estado vermelho Isso porque os sintomas de falha apresentados pelos outros equipamentos Regulador Excitador e Retificador s o possivelmente devido propaga o da falha do Gerador nestes componentes 155 E stabkzador de schema de pot ncia O en tab t ador compeeende componentes do modelo Figura 84 Alarmes de sintoma x alarmes de componentes Ao arrastar um componente de alarme para a rea de edi o exibida uma tela para a escolha do que ser observado pelo alarme No caso de um alarme de sintoma s o listadas todas as vari veis de sa da do modelo de detec o de falha que de fato s o os sintomas Para a alarme de componente poss vel escolher entre todos os componentes do modelo do sistema A Figura 85 ilustra a adi o de um alarme de componente com o componente PSSGain do modelo sendo observado pelo alarme Vari veis Booleanas SEE Veror A O add AVR limiter PSSGain WashOut Phase_Compensation1 O Wash ut2 PSSLimiter v Figura 85 Adicionando um alarme de componente E importante posicionar e associar os alarmes adequadamente de modo a permitir que durante o diagn stico o operador possa associar facilmente o alarme ao equipamento ou sistema que apresenta a anomalia Arraste os alarmes de modelo de 156 modo a obter algo equivalente ao mostrado n
140. modelagem padronizada que a linguagem Modelica Tamb m foi bem aceito o fato de usar uma ferramenta de c digo aberto para a cria o dos modelos o SimForge 98 RF 2 Interligar modelos de tipos diferentes Deve ser poss vel criar modelos interligando sub modelos de tipos diferentes como por exemplo criar um modelo interligando um modelo l gico com um modelo cont nuo Coment rios Esse requisito foi atendido atrav s do uso de componentes especiais chamados conectores veja decis o arquitetural 11 no cap tulo 5 Foram disponibilizados v rios conectores na biblioteca de componentes do Auto FDI pacote Diagnostics Connectors Embora n o tenham sido criados conectores para interligar todos os tipos de modelos elencados no requisito Cria o de Modelos perfeitamente poss vel que novos conectores sejam criados para este fim RF 4 Adi o de modelos Deve ser poss vel adicionar facilmente na biblioteca de modelos da ferramenta novos modelos criados pelo usu rio Coment rios Novos componentes podem ser criados facilmente e adicionados na biblioteca de componentes da ferramenta atrav s do SimForge veja se o 6 1 1 RF 5 Verifica o de consist ncia de modelos A ferramenta deve permitir que o usu rio valide o modelo criado ou seja verifique se restri es estruturais est o sendo observadas impedindo a cria o de composi es inv lidas por exemplo conectando sinais
141. mos destacar o aumento da disponibilidade confiabilidade e seguran a dos sistemas e a diminui o dos custos de opera o e manuten o A ferramenta tamb m pode ser utilizada para simula o servindo como uma ferramenta de treinamento dos operadores de sistemas Por fim acreditamos que a ferramenta possa ainda ser utilizada para valida o de outros trabalhos rea de detec o e diagn stico de falhas contribuindo assim para desenvolvimentos na rea Nesse sentido apresentamos na se o seguinte algumas sugest es para trabalhos futuros 8 1 Sugest es para Trabalhos Futuros Eis algumas sugest es para trabalhos futuros e Implementar outros m todos de detec o e diagn stico de falhas a exemplo de m todos baseados em redes neurais e l gica fuzzy que s o muito usados nesse dom nio de problemas e Implementar m todos de identifica o de modelos como por exemplo Least Squares LS 111 Permitir integra o com outras ferramentas de modelagem como por exemplo Simulink da Matlab Dar suporte linguagem SCL Substation Configuration Description Language para permitir detec o e diagn stico de falhas em sistemas de automa o de subesta o baseados na norma IEC 61850 IEC 61850 Communication networks and systems in substations um padr o internacional para o projeto de automa o de subesta es que define a comunica o entre os v rios dispositivos da subesta o e os requ
142. mplo devido a um aumento na produ o Por m essa t cnica n o permite um diagn stico de falhas r pido e na maioria dos casos n o poss vel ter um diagn stico de falhas detalhado Isermann2006 Al m disso em sistemas complexos com muitas vari veis sendo monitoradas pode ocorrer um fato conhecido como avalanche de alarmes onde v rios alarmes s o disparados em um curto intervalo de tempo Nos ltimos anos muita pesquisa tem sido realizada na rea e v rios m todos avan ados de detec o e diagn stico de falhas em sistemas t m sido propostos Em particular o IFAC Symposium SAFEPROCESS Fault Detection Supervision and Safety of Technical Process tem contribu do para a publica o de uma grande quantidade de pesquisa Destaca se tamb m a contribui o de v rios livros entre eles Isermann2006 KKKC2004 Gertler1998 e SFP2002 Alguns dos m todos de detec o e diagn stico de falha baseiam se em redund ncia f sica ou de hardware onde utilizam se elementos de hardware redundantes como por exemplo sensores e atuadores para medir ou controlar uma determinada vari vel do sistema Desse modo poss vel verificar a consist ncia entre os elementos redundantes e com isso identificar a ocorr ncia de falhas nesses elementos A principal desvantagem da redund ncia f sica consiste no elevado custo de aquisi o e manuten o Al m disso redund ncia f sica requer espa o extra para os ele
143. n trico O FPM do sistema mostrado na Figura 11 b Por exemplo atrav s do FPM podemos inferir que quando ocorre uma falha na v lvula V2 um entupimento por exemplo pode haver uma altera o do cido n trico na sa da do trocador de temperatura uma falha no trocador de temperatura vazamento de gua no cano por exemplo tamb m pode alterar a temperatura do cido n trico Sa da de gua Trocador de Entrada de cido temp HE Sa da de cido pk AWA V lvula V1 di Sensor de temper TS V Controlador de C Componente n o equipado com alarme V lvula V2 A temper TC Entrada de gua O Componente equipado com alarme Bomba O Alarme disparado a b Figura 11 retirada de Rao1993 Sistema de esfriamento de cido n trico a Diagrama de bloco funcional b Modelo de propaga o de falhas Conforme ressaltado em Rao1996 do mesmo autor esse modelo apresenta as seguintes propriedades a uma falha em um componente se propaga para todos os seus vizinhos b uma falha propagada em um v rtice ir ativar o seu alarme Apesar do modelo descrito acima ter sido vastamente usado nos mais diversos contextos bem certo que ele n o v lido para todos os casos pois nem todos os sistemas satisfazem as propriedades a e b acima citadas Um exemplo s o sistemas que cont m componentes de m ltiplas sa das componentes do tipo SIMO ou MIMO 20
144. nectores podem ser configurados a partir de seus par metros de modo a ser o mais gen ricos poss vel Novos conectores poder o ser criados e adicionados na biblioteca de componentes da ferramenta Facilita interligar modelos de tipos diferentes retirando do modelo a responsabilidade de converter os sinais de entrada sa da Modelo para inje o de falhas RF Simula o do diagn stico Execu o de modelos Para fins de valida o do diagn stico de falhas poss vel incluir no Modelo de Detec o em substitui o aos adaptadores de fonte de entrada do sistema um modelo do sistema com componentes de inje o de falhas V rios componentes de inje o de falhas devem ser disponibilizados tanto para inje o de falhas aditivas quanto falhas multiplicativas e Permite testar o processo de diagn stico de falhas sem a necessidade de ter dados reais do sistema e Facilita a inje o de falhas para verifica o do processo de diagn stico Os par metros dos componentes de inje o de falhas s o alterados de mesma maneira que feito para outro componente do modelo Modelica 52 13 14 Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o O tempo de execu o controlado por um rel gio universal RFs Realiza o do diagn stico Simula o do diagn stico Deve ser usado um rel gio universal que controla todo o tempo de execu
145. neste documento contemplando as seguintes caracter sticas e C01 Detec o autom tica de falhas e C02 Identifica o autom tica de modelos e C03 Integra o com outras ferramentas de modelagem e C04 Tipos de modelos dispon veis e C05 Interliga o de tipos de modelos diferentes e C06 T cnicas de detec o de falhas dispon veis e C07 T cnicas de isolamento de falhas dispon veis e C08 Extensibilidade e C09 Usabilidade e C10 Exposi o de funcionalidades e CII Cria o de modelos baseada em componentes 121 e C12 Montagem da interface de diagn sticos e C13 Suporte a modelos de sinais e modelos de sistema e C14 Simula o do modelo e do processo de diagn stico DIAG AMandD ModBuild FDI Toolbox C01 N o N o Sim N o C02 Sim Sim N o N o C03 N o N o Sim N o C04 Equa es f sicas e Modelos e Grafos de Liga o Fun es de Modelos lineares anal ticos transfer ncia Modelos e Estimativa de Espa o de estados heur sticos par metros Redes Neurais Modelos Nebulosos C05 N o N o N o N o C06 M todos e Heur stica e ARRs Observadores de cl ssicos e L gica Nebulosa estado Redes Neurais Equa es de L gica Nebulosa paridade C07 F DTS e Sistemas e ARRs Checagem de Especialistas Limiares e Regras Nebulosas C08 Baixa Baixa Baixa Baixa C09 Baixa Alta Baixa Baixa C10 Sim N o N o N o Cll Nao N o Sim N o C12 Nao Nao N o N o C
146. nter imagens representando o sistema a ser avaliado figuras links gr ficos etc 38 RF 9 Graficos O ambiente de diagn stico deve permitir a gera o de gr ficos para visualiza o do processo de diagn stico valores de entradas e sa das do sistema sa da do modelo res duos sintomas falhas etc RF 10 Relat rios O ambiente de diagn stico deve permitir a gera o de relat rios com o resultado do diagn stico RF 11 Salvamento Leitura Altera o Exclus o do ambiente de diagn stico A ferramenta deve permitir o salvamento leitura altera o e exclus o do ambiente de diagn stico criado Requisitos de processo de diagn stico RF 12 Modelo de sistema e modelo de sinal Deve ser poss vel criar solu es de diagn stico usando m todos de detec o de falha baseados a em modelos de sistemas b em modelos de sinais c uma combina o de ambos RF 13 Realiza o do diagn stico Deve ser poss vel realizar o diagn stico atrav s do ambiente de diagn stico criado Valores para par metros e para os sinais de entrada e sa da oriundos de um sistema real devem ser informados O diagn stico deve indicar as poss veis falhas no sistema sendo avaliado O isolamento de falhas deve ser realizado de forma autom tica dado o modelo estrutural do sistema sem necessidade de implementa o de algoritmos especiais para diferentes sistemas Falhas devem ser identificadas de forma mais precisa poss
147. o sistema 22 Com rela o ao modelo h v rias observa es a serem feitas Primeiro observe que a falha no componente 4 afetou apenas a vari vel yi as vari veis y e ys n o foram afetadas Observe tamb m que a vari vel y do componente D n o observ vel estado igual a Ind E finalmente veja que a falha se propagou pelo componente B mas n o se propagou pelo componente E Como j discutimos anteriormente o fato de uma falha se propagar por determinados componentes do sistema e n o se propagar por outros uma caracter stica bastante comum em sistemas reais e portanto deve ser considerada 3 3 Isolamento de falhas O isolamento de falhas conforme definido em Gertler1998 consiste na localiza o da s falha s em um sistema ou seja tem como objetivo a identifica o do s componente s do sistema com falha Em Rao1993 extensivamente abordado o problema do isolamento com uma nica falha single fault diagnosis problem onde considerada a hip tese de que n o ocorre mais de uma falha no sistema ao mesmo tempo No mesmo artigo apresentada uma solu o eficiente para este problema Mais especificamente apresentado o algoritmo FORWARD e BACKWARD com complexidade no pior caso de O n e O kn e respectivamente onde n o n mero de v rtices e o n mero de arestas e k o n mero de v rtices do grafo equipados com alarmes Em um outro trabalho CS2001 introduzido u
148. odelica A Biblioteca Padr o Modelica uma biblioteca disponibilizada gratuitamente pela organiza o The Modelica Association A biblioteca cont m os componentes mais 84 comumente usados na modelagem de sistema de v rios dom nios da engenharia tais como mec nica el trica hidr ulica termodin mica controle etc Atualmente ela disp e de mais de 780 modelos de componentes gen ricos e 550 fun es multiprop sito refer ncia vers o 3 0 de fevereiro de 2008 distribu dos nos seguintes pacotes Blocks Constants Electrical Rotational Translational Slunits T ce Omar d T ALLEL 4 EST STEN GOL Library Library Library Library Library Library lem EM m ced ds SER TE T Kom Figura 36 Pacotes da Biblioteca Padr o Modelica Abaixo segue uma breve descri o de alguns dos pacotes da hierarquia de pacotes da Biblioteca Padr o Modelica e Modelica Electrical Analog Componentes el tricos e eletr nicos anal gicos tais como resistor capacitor transformadores diodos transistores linhas de transmiss o sensores entre outros e Modelica Electrical Digital Componentes el tricos digitais incluindo delays gates etc e Modelica Electrical Machines M quinas el tricas tais como motores e geradores ass ncronos s ncronos e de corrente cont nua DC e Modelica Mechanics Rotational Sistemas mec nicos rotacionais de 1 dimens o como por exemplo caixa de marcha em
149. oiar nas fun es que a FDI Toolbox implementa para facilitar a cria o de solu es de detec o e diagn stico de falhas Isso torna a FDI Toolbox uma ferramenta bastante poderosa No entanto devemos salientar que a toolbox n o uma ferramenta destinada a usu rio final Ela n o oferece solu es de diagn stico completas ela apenas implementa 120 algumas fun es b sicas de modo a facilitar o desenvolvimento de solu es de diagn stico utilizando o ambiente Matlab 1 5 Um Framework para Aux lio na Cria o de Diagnosticadores de Falhas em Sistemas Em Pontes2008 apresentado um framework para a constru o de solu es de diagn sticos de falhas baseados em modelos de sistemas possibilitando mais facilidade e rapidez na constru o desses diagnosticadores A solu o apresenta uma arquitetura totalmente componentizada permitindo reaproveitar os m todos j implementados em v rios diagn sticos Pontes2008 O framework tamb m faz a comunica o entre os m todos de detec o e os m todos de isolamento e identifica o das falhas A implementa o de alguns m todos de detec o e diagn sticos est o dispon veis no framework Ferramentas de ap io detec o e diagn stico de falhas O trabalho apresentada tamb m o prot tipo de uma ferramenta para valida o do framework desenvolvido 1 6 Quadro comparativo A Tabela 4 apresenta um quadro comparativo das quatro ferramentas descritas
150. omponente s reallnput tempo 7 Componente s reallnput tempo 8 Componente s Excitador Retificador reallnput tempo S Componente s reallnput tempo 10 Componente s reallnput Regulador Refer ncia de tens o D establizador composto Estabilizador de sistemas de pot mcia por 5 componentes fi Ula 2 A Figura 35 Tela principal do Auto FDI Executor Mais detalhes sobre o Auto FDI Executor podem ser obtidos no ap ndice C deste documento 6 2 Bibliotecas de componentes Modelica Conforme j mencionamos o Auto FDI disponibiliza algumas bibliotecas Modelica para facilitar a cria o dos modelos usados no diagn stico S o elas Biblioteca Padr o Modelica ObjectStab ExtendedPetriNet e Diagnostics Nesta se o descrevemos sucintamente essas bibliotecas As tr s primeiras s o bibliotecas j existentes disponibilizadas pela comunidade Modelica A ltima a biblioteca Diagnostics re ne um conjunto de componentes que foram criados durante este trabalho Entre os componentes dessa biblioteca est o componentes de gera o de res duos de avalia o de res duos de inje o de sinais de inje o de falhas etc O conjunto de biblioteca fornecido pelo Auto FDI permite a cria o dos v rios tipos de modelos elencados no requisito Cria o de modelos veja requisito RF 1 no cap tulo 4 al m de facilitar a cria o do Modelo de Detec o 6 2 1 Biblioteca Padr o M
151. omponentes de uma biblioteca A ferramenta disponibiliza um n mero consider vel de componentes para constru o de modelos do setor da ind stria de fluidos t rmicos Al m disso o modelo criado pode ser simulado no ambiente da pr pria ferramenta ou exportado para simula o no ambiente do Simulink da Matlab Outro ponto positivo da ferramenta que ela determina automaticamente a partir do modelo e restri es do sistema o algoritmo de detec o e isolamento de falhas O ModBuild reduz significantemente o tempo e custo com modelagem e design de mecanismos de detec o e isolamento de falhas uma vez que parte dessas tarefas s o realizadas de forma autom tica pela ferramenta Por m atrav s de uma an lise mais detalhada constatamos que a ferramenta n o implementa m todos avan ados de detec o e diagn stico de falhas como por exemplos m todos que considerem perturba es e incertezas de modelagem reduzindo desse modo a precis o do diagn stico Vide se o 2 2 Atributos desej veis em um sistema de DDF 119 Outro ponto que deve ser ressaltado que a ferramenta pode ser aplicada somente no setor da ind stria de flu dos t rmicos embora a metodologia empregada possa ser aplicada a outros setores da ind stria 1 4 FDI TOOLBOX A FDI Toolbox um conjunto de fun es Matlab desenvolvida pelo Institute for Automatic Control and Complex Systems AKS com o objetivo de facilitar a constru o de solu
152. on2 PSSLimiter os bs O b O a a s a s a s gt gt Figura 89 Auto FDI Editor Aba com imagem da estrutura do modelo No lado direito do editor em destaque na Figura 90 s o listados todos os par metros do modelo do sistema e do modelo detec o de falha O valor inicial dos par metros s o aqueles que foram definidos durante a cria o desses modelos no SimForge Esses valores podem ser alterados Editor Smart Analysis Visualiza o real dos componentes maes Gr ticos Parametros Crie novas abas e Selecione os parametros amp serem listados no Soex Caminhos gt fileReader3 C Documents fileReader4 C Docurnents fleReader5 C Documents fileReader6 C Documents fileReader C Documents fileReader8 C Documents fileReader9 C Documents fileReaderll C Documents fileReaderll y C Documents w lt D 4 gt Figura 90 Auto FDI Editor Lista de par metros 159 poss vel escolher quais os par metros poder o ser alterados no Auto FDI Executor durante a prepara o para realiza o do diagn stico Par metros que estiverem na aba Todos n o poder o ser editados Para que determinados par metros possam ser editados no Auto FDI Editor preciso coloc los em outra aba de par metro Para criar uma nova aba clique em criar nova aba e escolha os par metros que ser o adicionados na nova aba Vamos selecionar os par metros dos avaliadores de
153. or AVR Sum Limiter po PR PH H a b s sum_output m4 a s PAK uMax 1 limeter output PSSGain output PSSGain WashOut Phase Compensationt Phase Compensation2 PSSLimiter ou d eel bs l4 b s m a s a s a s uMax 1 PSSumides output Figura 64 Modelo parcial do sistema de excita o 140 Por fim iremos definir agora o cone para o modelo criado O cone a visualiza o do modelo por fora ou seja como o modelo ir aparecer quando estiver sendo usado em outros modelos Clique no menu View Icon ou no icone na barra de ferramentas Utilize as ferramentas de desenho no menu Edit ou na barra de ferramentas para desenhar o cone para o modelo ADAC Figura 65 Ferramentas de desenho do SimForge As ferramentas de desenho podem ser usadas n o apenas para criar o icone do modelo mas tamb m para desenhar no pr prio modelo no modo de visualiza o gr fico Um exemplo de icone para o modelo mostrado na Figura 66 Este icone foi criado usando as ferramentas de desenho Rectangle e Text Para alterar as propriedades do desenho selecione o desenho e escolha a op o Properties atrav s do bot o direito do mouse Para mais detalhes consulte o manual do SimForge Modelo do ie Sistema de Excita o Figura 66 cone do modelo do sistema de excita o Pronto Terminamos a cria o do Modelo Para verifica se o modelo criado cont m erros Clique na op o Tools Check
154. oring Diagnostic Systems KKKC2004 FDI ToolBox DAS 2006 a toolbox for design of diagnosis systems Frisk et al e toolbox for model based fault detection and isolation TBR 1999 Embora algumas dessas ferramentas tenham sido aplicadas com sucesso na ind stria constatou se que elas n o contemplam v rias caracter sticas e funcionalidades que consideramos bastante relevantes Entre os principais problemas encontrados destacamos e Necessitam de configura o e ou implementa o de algoritmos adicionais para realizar o diagn stico em novos sistemas ou seja n o realizam o isolamento autom tico de falhas com base apenas no modelo do sistema e S o dif ceis de estender em alguns casos impossibilitando a adi o de novos m todos de diagn stico de falhas e N o permitem usar conjuntamente t cnicas de detec o e diagn stico de falhas baseadas em modelo de sistema e modelos de sinais e A maioria n o permite integra o com outras ferramentas de ap io detec o e diagn stico de falhas como por exemplo ferramentas especializadas em modelagem nem exp e sua funcionalidade permitindo por exemplo que o resultado do diagn stico seja exibido em outros sistemas e Algumas n o d o suporte modelagem usando determinados tipos de modelos como por exemplo redes de Petri modelos booleanos e modelos representados por m quina de estados finitos e N o permitem interligar submodelos de tipos diferen
155. ossui um grafo SymptomGraph que representa o 93 modelo de propaga o de falhas do sistema mas precisamente o modelo de propaga o de falhas descrito na se o 3 2 A classe CondensedGraphAlgoritm respons vel por realizar a redu o do grafo conforme descrito na se o 0 do mesmo cap tulo 6 3 3 O pacote detection Pacote definido para agrupar as classes que implementam detec o de falhas do processo de detec o e diagn stico Vale ressaltar que optamos por implementar o processo de detec o de falhas do Auto FDI em Modelica devido aos motivos j expostos no cap tulo 5 Em virtude disto existe atualmente apenas uma classe neste pacote a classe ModelicaFaultDetection ilustrada no diagrama da Figura 42 Esta classe respons vel por obter o resultado da execu o do modelo Modelo de Detec o atrav s de chamadas aos m todos definidos na interface ModelicaAdapter pertencente ao pacote modelicacommunication IFaultDetectionAlgorithm BSIGetSym ptom outputVar string time double Symptom l ModelicaDetection BSIGetSym ptom outputVar string time double Symptom Figura 42 Diagrama de classes do pacote detection 6 3 4 O pacote modelicacommunication Este pacote realiza a comunica o entre o sistema Auto FDI e o software de execu o do modelo Modelica As classes que comp e este pacote s o listadas no diagrama abaixo 94 lt
156. otes de software e as principais classes e interfaces que comp e cada pacote se o 6 3 6 1 Interface com o usu rio O projeto cuidadoso de interface com o usu rio uma parte essencial de todo o processo de projeto de software Sommerville2004 Uma interface mal projetada pode levar rejei o de um sistema comprometendo o sucesso final do projeto A interface com o usu rio do Auto FDI foi projetada levando em considera o os princ pios b sicos de projeto tais como facilidade de uso diversidade de usu rio recupera o de erros documenta o interna entre outros Conforme documentado durante o projeto da arquitetura cap tulo 5 a interface com o usu rio do Auto FDI consiste de tr s ambientes gr ficos distintos uma para cada perfil de usu rio Para a cria o dos modelos usados no processo de diagn stico optou se por usar o SimForge uma ferramenta j existente Para a cria o do ambiente de diagn stico e para a realiza o do diagn stico foram desenvolvidas duas interfaces gr ficas chamadas respectivamente de Auto FDI Editor e Auto FDI Executor Ambas foram desenvolvidas usando a tecnologia Windows Forms que um conjunto de bibliotecas da plataforma Net para a cria o de interfaces gr ficas desktop A tela inicial da ferramenta Auto FDI ilustrada na Figura 30 permite a escolha entre os diferentes ambientes gr ficos As subse es seguintes descrevem cada um desses ambientes 78 5
157. out Filter Time Constant parameter T1 0 05 PSS Phase Compensation Time Constant 1 parameter T2 0 02 PSS Phase Compensation Time Constant 2 parameter T3 3 PSS Phase Compensation Time Constant 3 parameter T4 5 4 P55 Phase Compensation Time Constant 4 parameter vsmax 0 2 PSS Maximum Output Limit parameter vsmin 0 2 PSS Maximum Output Limit Modelica Blocks Math Add Verror annotation Placement transformation x 55 0 Modelica Blocks Math Gain PSSGain annotation Placement transformation x 51 v e z I gt Figura 60 C digo Modelica com a defini o dos par metros Depois de definir o valor para os par metros vamos agora pass los para os componentes Isto pode ser feito da seguinte maneira Selecione o componente e clique com o bot o direito do mouse sobre ele Escolha a op o Properties e depois a aba Parameters Coloque os valores dos par metros de acordo com a tabela abaixo Quando um par metro do tipo array os elementos s o colocados dentro de chaves separados por v rgula como por exemplo o par metro a do componente AVR que recebe o valor Tr 1 A Figura 61 ilustra a altera o do valor do par metro do componente Sum Componente Par metros Verror AVR Sum Limiter uMax Efmax 137 SE Properties WashOut Phase Compensationl Phase Compensation2 PSSLimiter PSSGain uMin Efmin b Tw 0 a Tw 1
158. par metros etc tamb m ser o obtidos atrav s do OpenModelica e OpenModelica um software gr tis e de c digo aberto A execu o do modelo no OpenModelica ir permitir que o sistema Auto FDI seja independente de ferramenta comercial e OpenModelica possui uma API para obten o de metada dados de modelos modelica o que ir facilitar o desenvolvimento e A execu o no OpenModelica menos eficiente se comparado com solu es comerciais como por exemplo o Dymola Dym e A versal atual do OpenModelica n o d suporte vers o mais nova da linguagem Modelica 48 Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Desenvolver a ferramenta usando a plataforma NET RF Cria o do ambiente de diagn stico RNF Software b sico Com a finalidade de facilitar a constru o de interfaces gr ficas a ferramenta deve ser desenvolvida com a plataforma Net utilizando a linguagem C e A plataforma Net disp e de um excelente ferramental de desenvolvimento de software e Permite criar mais facilmente interfaces gr ficas sofisticadas e com timo apelo visual e A plataforma d suporte a uma grande variedade de linguagem permitindo a interoperabilidade entre as diversas linguagens e O software poder ser usado somente no sistema operacional Windows e Net disp e de uma menor quantidade de solu es open source se comparado
159. ph based systems Systems Man and Cybernetics Part A Systems and Humans IEEE Transactions on vol 33 no 1 pp 73 85 Jan 2003 Freyeumuth B Knowledge based incipient fault diagnosis of industrial robots In Prepr IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety for Technical Processes SAFEPROCESS volume 2 1991 pages 31 37 Fritzson P Principles of Object oriented Modeling and Simulation with Modelica 2 1 IEEE Press 2004 Germoglio G Apoio para o ensino de projeto de arquitetura de software Disserta o de Mestrado COPIN CCT UFCG 2008 Gertler Janos J Fault Detection and Diagnosis in Engineering Systems Electrical Engineering amp Electronics 1998 Gamma E Helm R Johnson R Vlissides J Design Patterns Elements of Object Oriented Software Addison Wesley 1995 Gros R Sauter D Hamelin F Corbier F Fault monitoring amp fault tolerant control in controlbuild software platform Fault Detection IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes 2006 Isermann R Ball P Trends in the application of model based fault detection and diagnosis in technical processes Control Engineering Practice Vol 5 pp 707 719 1997 Isermann R Model based fault detection and diagnosis status and applications Annual Reviews in Control 29 2004 pp 71 85 Isermann R Fault Diagnosis Systems Springer 2006
160. ponent D MatrixGain i Psscain 5 sum 3 Feedback 3 Add C Adas D Product D Division 3 abs D Sign 3 sort Figura 55 Inserindo o componente PSSGain 131 Clique em OK O componente ser exibido na rea de montagem conforme ilustra a Figura 56 poss vel redimensionar um componente ou v rios selecionando ele e arrastando suas bordas Para selecionar v rios componentes desenhe com o mouse um ret ngulo que inclua todos os componentes ou selecione os com CTRL clique do mouse em cada um dos componentes RSSGain Figura 56 Componente PSSGain na area de montagem visual do modelo Da mesma maneira arraste os outros componentes de modo a obter o modelo parcial equivalente ao ilustrado na Figura 57 O tipo de cada componente do modelo encontra se na Tabela 5 132 Verror AVR Sum Limiter RS P S i gt i a s PER uMax 1 PSSGain WashOut Phase Compensation Phase Compensation PSSLimiter gt b s gt b s b S 3 kl als a s a s uMax 1 Figura 57 Modelo parcial do sistema de excita o Nome do Componente Tipo do Componente Verror Modelica Blocks Math Add AVR Modelica Blocks Continuous TransferFunction Sum Modelica Blocks Math Add Limiter Modelica Blocks Nonlinear Limiter PSSGain Modelica Blocks Math Gain WashOut Modelica Blocks Continuous TransferFunction Phase Compensationl Modelica Blocks Continuous TransferFunction Ph
161. ponentes especiais para a gera o e avalia o de res duos Vamos usar o mesmo projeto do SimForge criado anteriormente para a cria o do modelo de detec o de falhas O nome do modelo que iremos criar ser 143 MD SistemaDeExcitacao Do mesmo modo que j foi feito antes para criar um novo modelo clique no cone LA na barra de ferramentas do SimForge e informe o nome MD SistemaDeExcitacao e o tipo do arquivo modelica files Clique em OK e em seguida escolha model para o tipo da classe a ser criada e clique em OK Para abrir o modelo e iniciar a constru o d dois cliques na classe criada que encontra se em Modelica classes na janela de navega o de componentes lado esquerdo do SimForge Feito isso ser aberta a rea de montagem do modelo Agora podemos iniciar a cria o do modelo de detec o de falhas O resultado final da representa o visual do modelo mostrado na Figura 70 Conforme podemos observar na figura o modelo de detec o de falhas cont m o modelo do sistema os adaptadores para inje o de sinais do sistema e os componentes de gera o e de avalia o de res duos error sintoma Avaliadores R Conectores i i po Garallores de res duos de sa da de res duos IX Sintoma AVR sint output gt Sum sintoma R mermo ten 1 gt B Limiter_sintoma adaptadores de entrada PSSGain_sintoma KR R FileReader B WashOu s
162. por exemplo modelos com equa es de balan o e Simula o do modelo criado para verifica o da corretude do modelo e Simula o da detec o e isolamento de falhas Essa funcionalidade pode ser usada por exemplo para treinamento dos operadores ou otimiza o do processo de detec o e diagn stico da organiza o e Determina o atrav s de estimativas dos valores de vari veis do sistema quando estas n o est o dispon veis como por exemplo devido a uma falha de um sensor e Detec o e Isolamento de falhas com a utiliza o de v rios m todos e Visualiza o gr fica dos resultados da an lise e simula o 117 e Envio autom tico para os operadores atrav s de e mail ou mensagens SMS de informa o sobre o estado do sistema e poss veis instru es A modelagem do sistema pode ser realizada por meio de equa es anal ticas ou atrav s de m todos de identifica o de modelos via estimativa de par metros que utilizam os dados hist ricos dos processos A identifica o de modelos realizada com o apoio de wizards que guia o usu rio passo a passo durante todo o processo A ferramenta permite a identifica o de modelos de v rios tipos a saber equa es de diferen as lineares equa es polinomiais Fuzzy TSK modelos de redes neurais A detec o de falhas realizada atrav s de algoritmos que usam L gica Fuzzy para a avalia o de res duos Os conjuntos Fuzzy podem ser determina
163. que realizem apenas a detec o e isolamento de falhas s o suficientes Depois do processo de detec o e diagn stico de falhas devem ser tomadas as devidas a es para a prote o do sistema Prote o s o mecanismos que visam a suprimir um comportamento potencialmente perigoso do sistema ou evitar as consequ ncias desse comportamento IB1997 A prote o pode ser realizada pelos controladores dos centros de supervis o e controle ou de forma autom tica pelo pr prio sistema de detec o e diagn stico de falhas Os sistemas supervisionados s o geralmente constitu dos por atuadores planta elementos da instala o t cnica e sensores Figura 1 u e y s o respectivamente os sinais medidos de entrada e sa da Falhas Falhas Falhas atuadores sensores perturbac es ru dos Figura 1 baseada em KKKC2004 Sistema composto por atuadores planta e sensores Conforme pode ser visto na Figura 1 as falhas podem ocorrer na planta ou nos dispositivos de controle e medida atuadores e sensores que integram o sistema E importante tamb m detectar e diagnosticar falhas em atuadores e sensores pois estes equipamentos s o bastante propensos a falhas Falhas podem ser vistas como entradas que afetam a sa da do sistema Al m das falhas os dist rbios e ru dos tamb m afetam o sistema Dist rbios s o entradas adicionais desconhecidas que atuam no sistema e que afetam a sa
164. r PK gt b s P ef gt a s m Mae PSSGain WashOut Phase Compensation Phase Compensation2 PSSLimiter x b s Po b s Los b s ie a s a s a s dint Figura 62 Modelo parcial do sistema de excitac o Agora defina a causalidade de cada conector colocado no modelo input para o conector Verror input e output para os outros Para isso selecione o conector clique com o bot o direito do mouse e escolha a op o Properties e depois a aba Attributes A Figura 63 ilustra o procedimento para o conector de entrada Verror input Feito isso clique em OK 139 SF Properties General Parameters Modifiers Trasformations Attributes Variability Properties O Constant Final Discrete Protected Parameter Replaceable e Default Causality Inner Outer e Normal Inner Outer O Inner and outer ok Cancel Figura 63 Definindo a causalidade do conector Verror input Observe na Figura 62 que o componente Verror possui duas entradas mais somente uma delas est conectada Vamos usar um componente do tipo constante Modelica Blocks Sources Constant para fazer a conex o com a outra entrada do componente Verror Tamb m usaremos uma constante para conectar na entrada do componente PSSGain Veja na figura abaixo Verror output AVR output Verror input Verr
165. r de 0 5 para os componentes de avalia o de res duos Para exteriorizar as sa das dos componentes usamos os conectores do tipo Modelica Blocks Interfaces BooleanOutput dispon veis na biblioteca de componentes Modelica Para alterar a causalidade de cada conector para output clique com o bot o direito do mouse e escolha a op o Propriedades e depois a aba Attributes assim como foi feito para os conectores do modelo do sistema na se o anterior deste manual Conecte os componentes de modo a obter o modelo ilustrado na Figura 49 148 Verror sintoma R gt B AVR sintoma R 5B Sum sintoma B Limiter sintoma R B PSSGain sintoma File Reader gt FileReader FileReader fileReader R Wash sint ovas FileReader FileReader FileReader FileReader vvvYYvv vvvvvVvvvvv Y 5 UJ FileReader FileReader B PEAR ar daw sod aspa Figura 75 Modelo de detec o de falhas finalizado Por fim verifique se h erros no modelo atrav s da op o Tools Check Model do menu ou no cone na barra de ferramentas Se n o houver erros ser exibida a tela da Figura 76 e o modelo est pronto para ser usado na pr xima etapa a cria o do ambiente de diagn stico Message Check of MD_SistemaDeExcitacao successful model MD_SistemaDeExcitacao has 171 equation s and 171 variable s 108 ofthese are trivial
166. ra 3 Classificac o das falhas em relac o depend ncia no tempo 2 2 Atributos desej veis em um sistema de DDF Nesta se o apresentamos algumas caracter sticas desej veis em sistemas de detec o e diagn stico de falhas Idealmente os sistemas de DDF deveriam possuir todos esses atributos por m esta uma tarefa bastante dif cil de ser alcan ada A lista de atributos apresentada aqui til para comparar solu es de DDF e direcionar o projeto de tais sistemas S o atributos desej veis em um sistema de diagn stico de falhas DV2000 e Rapidez e precis o S o atributos altamente desej veis em sistemas de detec o e diagn stico de falhas Por m esses atributos muitas vezes s o conflitantes e obviamente existe um tradeoff entre eles e Isolabilidade corresponde habilidade em distinguir diferentes tipos de falhas Deseja se completude na isolabilidade de falhas ou seja o sistema deve ser capaz de distinguir todas as falhas poss veis no universo de falhas Al m disso a corretude um aspecto importante a ser considerado de modo a evitar o surgimento de alarmes falsos e Robustez Deseja se que o sistema seja capaz de diminuir o impacto causado por ru dos e incertezas de modo que seu desempenho caia de forma gradual ao inv s de uma queda abruta Para isso importante a identifica o de ru dos e incertezas que possam influenciar o sistema e Identifica o de novidade Novelt
167. realizado de forma autom tica atrav s de m todos de isolamento de falhas baseados em grafos sem necessidade de implementa o de algoritmos especiais para diferentes sistemas Falhas s o identificadas de forma mais precisa poss vel dado o n vel de detalhe do modelo O isolamento pode ser realizado para qualquer sistema para o qual se disponha de seu modelo estrutural Com o Auto FDI poss vel identificar falhas em sistemas de forma r pida e confi vel e com isso aumentar a efici ncia do processo de diagn stico e manuten o das organiza es Como benef cios diretos podemos destacar o aumento da disponibilidade confiabilidade e seguran a dos sistemas e a diminui o dos custos de opera o e manuten o Al m de permitir o diagn stico em sistemas reais o Auto FDI tamb m pode ser usado para simula o servindo como uma poderosa ferramenta de treinamento dos operadores de sistemas 34 4 2 Usu rios da ferramenta Os usu rios da ferramenta podem ser categorizados em tr s grupos distintos de acordo com o seu papel modelador criador de diagnosticadores e o operador Essa classifica o ilustrada no diagrama de contexto da Figura 21 e foi sugerida inicialmente por Pontes2008 em um trabalho correlato Modelador Auto FDI Criador de diagnosticadores Operador Figura 21 Usu rios da ferramenta Conforme j mencionamos o Auto FDI utiliza t cnicas de detec
168. rma anal tica Propriedades do Sistema Confiabilidade Habilidade de um sistema executar uma fun o requerida sob determinadas condi es em um determinado escopo durante um determinado per odo de tempo Seguran a Habilidade de um sistema n o causar perigo a pessoas equipamentos ou ao ambiente Disponibilidade Probabilidade de um sistema ou equipamento operar satisfatoriamente e efetivamente em qualquer instante de tempo 114 Ap ndice B Ferramentas de ap io detec o e diagn stico de falhas Na literatura poss vel encontrar alguns trabalhos que descrevem ferramentas de apoio ao diagn stico de falhas em sistemas Algumas dessas ferramentas s o dedicadas a um setor espec fico da ind stria como por exemplo ind stria qu mica Outras por sua vez s o mais gen ricas e permitem que sejam estendidas ou adequadas a diferentes contextos ou reas de aplica o Entre as ferramentas existentes podemos destacar DIAG KKKC2004 AMandD Advanced and Monitoring Diagnostic Systems KSW2006 ModBuild BSS2006 FDI ToolBox DAS 2006 S4ATOOL BL2006 ControlBuild GSHC2006 a toolbox for design of diagnosis systems FKNA2006 toolbox for model based fault detection and isolation TBR 1999 e Um Framework para Aux lio na Cria o de Diagnosticadores de Falhas em Sistemas Pontes2008 Nas se es seguintes s o detalhadas algumas das ferramentas citadas 11 DIAG O DIAG uma ferrament
169. s e getModelStructure Retorna um grafo representando a estrutura do modelo submodelos que comp em o modelo e a conex o entre eles e getAllOutputVars Obt m as vari veis de sa da de todo o modelo Modelica incluindo o Modelo do Sistema e o Modelo de Detec o e getModelOutputVars Obt m as vari veis de sa da apenas do Modelo do Sistema e getSystemOutputVars Obt m as vari veis de sa da do sistema dos adaptadores de entrada e getSimulationValue string var long time Obt m o valor de simula o de uma vari vel do Modelo Modelica em um determinado tempo da simula o e getDetectionOutputs Obt m as vari veis de sa da do Modelo de Detec o e getDetectionResult long time Obt m o resultado do processo de detec o de falha os sintomas gerados para os componentes do sistema em um determinado tempo na simula o e getAllComponents Obt m os nomes dos componentes do modelo modelica Inclui componentes do modelo do sistema e da detec o de falhas 65 e getModelComponents Obt m os nomes dos componentes do modelo Modelica apenas do modelo do sistema e getDetectionComponents Obt m os nomes dos componentes do modelo Modelica apenas da parte da detec o de falhas e getParameters string componente Obt m os par metros de um determinado componente e setParameterValue string componente string param Objec
170. s A atividade de teste tem uma import ncia fundamental no desenvolvimento de software O uso de uma boa metodologia de testes permite reduzir os defeitos bugs apresentados pelo software aumentando consideravelmente a qualidade e confiabilidade do produto desenvolvido Al m disso permite reduzir os custos de desenvolvimento pois possibilita encontrar e corrigir erros mais rapidamente e de manuten o permitindo modificar ou refatorar o c digo sem adi o de novos defeitos 96 A metodologia de testes adotada no desenvolvimento do Auto FDI leva em considera o os princ pios b sicos relacionados atividade de testes V rios aspectos foram considerados entre os quais destacamos e Os testes devem rastrear os requisitos Testes uma forma de verificar se as funcionalidades do software foram implementadas corretamente e Testes devem ser automatizados A execu o dos testes deve ser realizada frequentemente e portanto deve ser uma atividade realizada com pouca quantidade de tempo e esfor o e Uso de ferramentas Devem ser usadas ferramentas que facilitem a cria o e execu o bem como a verifica o da cobertura dos testes O Auto FDI foi desenvolvido usando o Desenvolvimento Guiado por Testes Test Driven Development TDD Beck2002 Foram usados dois tipos de testes testes de unidade e testes de aceita o Ambos foram implementados usando o framework NUnit NUnit A infraestr
171. s Os sistemas est ticos s o geralmente descritos atrav s de equa es alg bricas enquanto que os sistemas din micos s o descritos atrav s de equa es diferenciais ou equa es de diferen a e Lineares versus n o lineares Os sistemas lineares est ticos ou din micos s o aqueles onde o princ pio da sobreposi o v lido a resposta para uma combina o de entradas a mesma da soma das respostas individuas a cada uma das entradas O princ pio da sobreposi o n o se aplica aos sistemas 16 n o lineares A maioria dos sistemas f sicos s o de fato n o lineares Por m muitas vezes uma aproxima o linear para esses sistemas pode prover um resultado aceit vel e Modelos cont nuos versus discretos Sistemas cont nuos possuem os valores de suas vari veis definidos para qualquer instante de tempo enquanto que em sistemas discretos esses valores est o definidos apenas para alguns instantes de tempo como por exemplo a cada 10 segundos Modelos cont nuos s o representados por exemplo atrav s de equa es diferenciais e modelos discretos atrav s de equa es de diferen a ou suas variantes A maioria dos sistemas f sicos s o inerentemente cont nuos Contudo devido natureza discreta dos computadores esses sistemas s o modelados de forma discreta Os sistemas tamb m podem ser classificados de acordo com a quantidade de entrada e sa das conforme ilustrado na Figura 10 Assim temos os
172. s arrastando e interligando os componentes de uma biblioteca de componentes O SimForge disp e de toda a Biblioteca Padr o Modelica al m de permitir facilmente a extens o de sua biblioteca de componentes Mais informa es podem ser obtidas no site da ferramenta em http trac elet polimi it simforge Embora a cria o dos modelos possa ser feita usando qualquer outra ferramenta que d suporte linguagem Modelica como por exemplo Dymola http www dynasim se ou MathModelica http www mathcore com products mathmodelica importante ressaltar que o Auto FDI utiliza o OpenModelica para compilar e executar os modelos internamente Dessa forma poss vel que modelos criados nessas ferramentas apresentem incompatibilidade de vers o com o Auto FDI uma vez que n o usam o mesmo compilador Para a cria o do ambiente de diagn stico e a execu o do diagn stico etapas 3 e 4 o Auto FDI possui dois aplicativos gr ficos chamados respectivamente de Auto FDI Editor e Auto FDI Executor A seguir descrevemos os passos necess rios para a cria o uma solu o de diagn stico completa desde o in cio Para um melhor aproveitamento importante que o leitor acompanhe o manual realizando as instru es no Auto FDI 124 O sistema que usaremos como exemplo o sistema de excita o do tipo STIA A fun o b sica de um sistema de excita o prover corrente continua para enrolamentos de campos de
173. s componentes do sistema gerados na fase de detec o de falhas veja se o 2 3 1 e tem como resultado o conjunto de componentes potencias fontes de falhas Ps No que segue ser adotada a seguinte nomenclatura Gr Grafo reduzido do sistema veja se o 0 Vr Conjunto de todos os v rtices do grafo Gr Ar Conjunto de todos os v rtices do grafo Gr com marcag o de falha possui pelo menos uma aresta de sa da com a marca o F Cr Conjunto de todos os v rtices de Gr com marca o de falha e que s o alcan veis a partir de uma aresta com marca o de falha Br Conjunto de todos os v rtices do grafo Gr com marca o de falha e que n o s o alcan veis a partir de outra aresta com marca o de falha Br Ar Cr Ps Conjunto de componentes potencias fontes de falhas veja se o 3 3 n N mero de v rtices do grafo Gr e N mero de arestas do grafo Gr ka Ar cardinalidade do conjunto Ar kp Br cardinalidade do conjunto Br Tabela 1 Nomenclatura usada para descrever o Isolamento Autom tico de Falhas O algoritmo conforme mostra a Tabela 2 consiste de tr s etapas Redu o do Grafo Computa o de Br e Computa o de Ps A solu o possui complexidade assint tica O kn e onde k o n mero de componentes do sistema com sintomas de falhas e n e e s o respectivamente o n mero de v rtices e de arestas do grafo reduzido do siste
174. s fazendo um mapeamento de API se necess rio Usar adaptadores para injetar sinais do sistema no modelo RFs Cria o de Modelos Execu o de modelos Realiza o do diagn stico M dulos independentes chamados adaptadores s o utilizados para injetar sinais do sistema nos modelos Adaptadores s o componentes que sabem como acessar esses dados Estes componentes devem ser o mais gen rico quanto poss vel e podem ser configurados para lidar com uma fonte particular atrav s da escolha adequada de seus par metros e O uso de adaptadores ajuda a lidar com a heterogeneidade de fontes com maior facilidade e O uso de adaptadores gen ricos parametrizados permite diminuir o n mero de tipos de adaptadores Adaptadores gen ricos parametrizados s o de elabora o mais dif cil do que adaptadores particulares 50 10 Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es 11 Decis o Drivers Os adaptadores de fontes de entrada devem ser componentes Modelica RFs Cria o de Modelos Execu o de modelos Realiza o do diagn stico Os adaptadores de fontes de entrada devem ser componentes descritos na linguagem Modelica A fun o que faz a leitura dos arquivos ou de outra fonte deve ser escrita em Modelica ou em linguagens que possam ser chamadas diretamente pelo c digo Modelica linguagem C ou Fortran e Permite executar os modelos com fontes de dados externas d
175. s foi feito em tempo m dio de menos de 3 segundos m dia para 5 medi es conforme mostra o gr fico da Figura 48 Vale salientar que os resultados para este cen rios foram obtidos com grafos contendo o n mero m ximo de conex es entre os componentes Este cen rio embora n o seja realista permite avaliar o desempenho do algoritmo no pior caso poss vel Desempenho do Isolamento Autom tico de Falhas e Desempenho Tempo em segundos 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Quantidade de componentes Figura 48 Desempenho do isolamento autom tico para grafos densos 108 8 Conclus o e Sugest es para Trabalhos Futuros Cap tulo 8 Neste trabalho apresentamos uma ferramenta de detec o e isolamento de falhas em sistemas chamada Auto FDI A ferramenta utiliza t cnicas baseadas em modelos e possui v rias caracter sticas e funcionalidades que n o s o contempladas pelas ferramentas de detec o e diagn stico existentes O principal objetivo do desenvolvimento da ferramenta foi o de prover uma prova de conceito para a t cnica de isolamento de falhas introduzida no cap tulo 3 denominada de isolamento autom tico O isolamento autom tico constitui uma contribui o deste trabalho no tocante ao desenvolvimento de t cnicas e algoritmos de isolamento de falhas A t cnica desenvolvida considera a propaga o de falhas e a falta de informa o sobre alguns component
176. sa das do modelo simulando com isso as falhas A biblioteca Diagnostics do Auto FDI disponibiliza componentes para inje o tanto de falhas aditivas quanto falhas multiplicativas A Figura 95 ilustra um modelo de detec o de falhas criado para o sistema de excita o descrito neste documento O Modelo de Detec o possui um modelo que descreve o comportamento ideal do sistema sem falhas e o modelo que representa o sistema real e que possui os componentes de inje o de falhas modelo com falhas al m dos componentes que implementam a gera o e avalia o de res duos Observe na figura que o modelo praticamente id ntico ao modelo de detec o usado no diagn stico real veja Figura 75 diferenciando apenas pela substitui o dos adaptadores pelo modelo com falhas 164 Geradores Avaliadores de res duos de res duos ji i 999 9999 opot IL y4 4 y5 E mma mil Figura 95 Modelo de Detec o para o Sistema de Excita o A Figura 96 a ilustra o do modelo com falhas SistemaExcitacaoComFalhas usado no modelo de detec o da figura acima Em destaque na figura est o os componentes de inje o de falha Neste exemplo foram usados componentes de inje o de falhas aditivas FalhaAditiva 165 PSSOsin Phase Comcensato isa i bis b s m a s a s Figura 96 Modelo do Sistema de Excita
177. siste em computar o conjunto de componentes S de cardinalidade m nima com pelo menos um componente com falha Depois de identificado S os componentes de S s o ent o testados fisicamente e os componentes com falhas s o substitu dos ou reparados na fase de repara o Esse procedimento repetido at que todos os componentes com falhas do sistema sejam reparados A grande desvantagem do diagn stico operativo que ele n o possibilita prioriza o ou paralelismo na repara o dos componentes com falhas Al m disso o modelo de propaga o utilizado discutido na se o 3 2 possui as limita es j discutidas Em compensa o a solu o concebida neste trabalho utiliza o FPM da Defini o 1 veja se o 3 2 e diferentemente do diagn stico operativo consiste em determinar o conjunto que cont m todos os componentes potencialmente fonte das falhas definido como Ps F1 F2 Fn onde cada Fi e Ps o menor conjunto poss vel com pelo menos um componente com falha e possivelmente componentes sem falhas Chamamos isso de isolamento autom tico de falhas Para elucidar a diferen a entre isolamento autom tico e o diagn stico operativo considere o cen rio da Figura 18 retirada de CS2001 em que os componentes c e c4 cont m falhas 26 Figura 18 retirada de CS2001 FPM para um determinado sistema Com o diagn stico operativo ter amos o seguinte 1 Ao executar o algoritmo seria
178. sos pelo cliente para CH 55 18 19 20 Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o N o haver testes automatizados para interface gr fica RNF Testes autom ticos N o haver testes autom ticos para a interface gr fica da aplica o Elimina o trabalho adicional de refazer os testes quando a interface gr fica muda necess rio fazer uma verifica o manual para assegurar que a comunica o com o modelo est sendo feita corretamente Isto deve ser feito repetitivamente sempre que houver mudan a no c digo Como o projeto segue o padr o MVC a camada de interface com o usu rio n o cont m nada da l gica de neg cio tornando se o mais simples poss vel Toda a l gica de neg cio est contida em um m dulo separado modelo que disp e de testes autom ticos testes de unidade e testes de aceita o N o ser permitida a realiza o do diagn stico para v rios sistemas simultaneamente RFs Realiza o do diagn stico Simula o do diagn stico S ser permitido realizar o diagn stico para um sistema de cada vez Elimina a necessidade de paralelismo facilitando o desenvolvimento S ser poss vel realizar o diagn stico para um sistema de cada Vez O cliente n o expressou interesse em realizar diagn sti
179. ss vel uso em outras aplica es imprescind vel que a separa o entre interface e l gica de neg cio seja rigorosamente observada Os modelos que descrevem o sistema s o descritos na linguagem Modelica RFs Cria o de modelos Interligar modelos de tipos diferentes Verifica o de consist ncia de modelos RNF Integra o com ferramentas de modelagem 45 4 Descri o Vantagens Desvantagens Observa es Decis o Drivers Descri o Os modelos que descrevem os sistemas que podem ser modelo de sistema ou modelo de sinal e que s o utilizados no processo de diagn stico de falhas ser o descritos atrav s da linguagem de modelagem Modelica Mod Chamamos esse modelo de Modelo do Sistema e Possibilita a independ ncia de ferramenta de modelagem uma vez que os modelos podem ser criados editados em qualquer ferramenta que reconhe a a linguagem Modelica e Modelica uma linguagem de modelagem bastante usada tanto pela ind stria como por institui es de pesquisas oferecendo portanto um excelente know how A Biblioteca Padr o Modelica ModelicaLibrary e a biblioteca ExtendedPetriNet ExtendedPetriNet ser o disponibilizadas junto com a ferramenta Com essas bibliotecas poss vel criar os v rios tipos de modelos elencados no requisito Cria o de modelos veja requisito RF 1 no cap tulo 4 Tamb m poder o ser disponibilizadas outras bibliotecas que fac
180. st ncia de modelos A ferramenta deve permitir que o usu rio valide o modelo criado ou seja verifique se restri es estruturais est o sendo observadas impedindo a cria o de composi es inv lidas por exemplo conectando sinais de tipos incompat veis Requisitos de execu o do modelo RF 6 RF 7 Execu o de modelos A ferramenta dever permitir a execu o do modelo atrav s da inje o de sinais de entrada e observa o de sinais de sa da Para executar um modelo deve ser poss vel fornecer valores para os par metros A execu o de modelos pode se apoiar em ferramentas especializadas como por exemplo SimForge Dymola Gera o de sinais A ferramenta deve possuir componentes que gerem sinais Tais sinais podem ser utilizados como entradas para modelos ou em qualquer outro ponto em que um sinal seja necess rio para alimentar uma parte de um modelo Deve ser poss vel gerar sinais por conte do especificado em arquivo atrav s de fun es booleanas fun es cont nuas alg bricas e sequ ncias de eventos Requisitos de cria o do ambiente de diagn stico RF 8 Cria o do ambiente de diagn stico A ferramenta deve possuir um editor para a cria o do ambiente de diagn stico a interface que ser usada pelo operador para realizar o diagn stico de falhas no sistema Deve ser poss vel criar uma interface personalizada de acordo com o sistema a ser avaliado A interface criada poder co
181. t Ao receber um DetectionEvent possivel obter o resultado da detec o de falhas ou seja os sintomas valor booleano Servi os e receiveEvent DetectionEvent event recebe um evento do tipo DetectionEvent Implementado Componentes de alarme por 68 Observa es Utiliza o modelo Pull para obten o da informa o Interface IsolatorListener Descri o Permite que um componente receba eventos do tipo IsolatorEvent Um IsolatorEvent permite obter o resultado do isolamento de falhas menses e receiveEvent solatorEvent event recebe um evento do tipo IsolatorEvent tmiprementado Componente de exibi o de falhas Componente de Alarmes por Observacoes Utiliza o modelo Pull para obten o da informa o Interface SmartDiagAPI Descri ao Fornece um ponto de acesso nico para toda l gica de neg cio do sistema Auto FDI pEEYIEOS e Load xml Monta o diagnosticador atrav s de uma estrutura especificada em XML e Run startTime finishTime Realiza o diagn stico para o intervalo de tempo especificado e Stop Finaliza a execu o do diagn stico e Pause Pausa a execu o do diagn stico e SetSpeed speed Altera a velocidade da execu o e GetFaults time Obt m uma cole o com as falhas ocorridas em um determinado tempo da execu o Implementado Facade por 69 5 3 3 Interfaces dos Componentes Modelica
182. tValue value Altera um determinado par metro de um componente Iniplementado ModelDetection por Interface IFaultLocation Descr Permite obter informa es sobre o resultado do isolamento de falhas DREVICOS e getFaults long time Obt m uma cole o com as falhas ocorridas em um determinado tempo da execu o do diagn stico e hasFaultOcurred string component long time Verifica se ocorreu falha em um determinado componente em um determinado instante de tempo da execu o do diagn stico Iniplementado Automaticlsolador BinaryDiagnosticMatrixIsolator por Observac es A opera o getFaults long time retorna uma cole o de componentes de falhas Um componente de falha possui alguns atributos a exemplo do atributo que indica o grau de certeza de ter ocorrido uma falha neste componente 66 Interface IOutputObservable Descri o Permite adicionar e remover observadores das sa das cont nuas dos componentes do modelo Modelica incluindo as sa das do Modelo do Sistema dos adaptadores do Modelo de Detec o Os observadores cadastrados recebem eventos do tipo OutputEvent servi os e addOutputListener OutputListener listener Adiciona um observador e removeOutputListener OutputListener listener Remove um observador cadastrado Empr entao IModelicaProxy por Interface IDetectionObservable Descri o
183. tados da simula o no SimForge e A pasta Temp para arquivos tempor rios criados durante a simula o e O arquivo Properties xml que cont m informa es de configura o do projeto tais como o diret rio da biblioteca Modelica e do compilador OpenModelica que ser o usados Ao instalar o Auto FDI o SimForge j vem com uma configura o default Essa configura o usada para todos os projetos criados no SimForge configura o geral e pode ser mudada no menu Tools Settings Alternativamente a altera o da configura o para apenas um determinado projeto configura o 127 espec fica pode ser feita atrav s do menu Tools ProjectProperties depois que o projeto for criado Depois de criar o projeto exibida no lado esquerdo do SimForge a janela de navega o de componentes que permite acessar os componentes Modelica dispon veis no projeto e obter o resultado da simula o Os componentes Modelica s o organizados em pacotes Para expandir os elementos da janela de navega o basta dar dois cliques no elemento Conforme j mencionamos anteriormente a op o IEC61131 n o ser usada e portanto deve ser ignorada Ao expandir o elemento Modelica na janela de navega o encontramos os seguintes elementos e Used external packages Onde est o dispon veis todos os pacotes que s o usados pelo projeto mas que n o podem se editados a exemplo da Biblioteca Padr o Modelica e outras bibliotec
184. terfaces bem definidas Identificar a decomposi o apropriada do sistema n o uma tarefa f cil o que torna a solu o potencialmente mais complexa do que solu es monol ticas Os componentes s o interligados usando o padr o Publish Subscribe Observer 44 2 Decis o Drivers Descri o Vantagens Desvantagens Observa es 3 Decis o Drivers Organizar a arquitetura usando o padr o Model View Controller MVC Desacoplamento RFs Cria o do ambiente de diagn stico Exposi o de funcionalidade RNFs Testes autom ticos A arquitetura deve ser organizada em tr s grandes m dulos Modelo M Vis o V e Controlador C O Modelo representa os dados da aplica o e a l gica de neg cio para manipular esses dados A Vis o a camada de interface com o usu rio onde o usu rio v o estado do modelo e pode manipular a interface para ativar a l gica de neg cio O Controlador processa e responde a eventos gerados pela vis o e pode invocar altera es no modelo servindo portando de comunica o entre a Vis o e o Modelo Permite melhor organizar a interface gr fica e desacopl la da l gica de neg cio dando flexibilidade para a exist ncia de v rias interfaces com o usu rio usando a mesma l gica Permite tamb m que sejam feitas altera es na interface gr fica sem afetar a l gica de neg cio ou vice versa Al m disso facilita a exposi o da l gica de neg cio para po
185. tes para composi o de novos modelos por exemplo interligar um modelo representado por equa es diferenciais com um modelo representado por redes de Petri e Requer um conhecimento profundo de todo o processo de detec o e diagn stico para a constru o de uma solu o de diagn stico e Possuem fraco suporte simula o do modelo e do processo de detec o de falhas e mecanismos para valida o do modelo e da solu o de diagn stico criados Diante do exposto surgiu a motiva o para a cria o de uma nova ferramenta de detec o e diagn stico de falhas em sistemas A ferramenta contemplar algumas das caracter sticas e funcionalidades que n o s o tratadas pelas ferramentas existentes O trabalho est inserido em um projeto de P amp D financiado pela CHESF intitulado Smart Analysis 1 1 Objetivo da disserta o Esta disserta o tem como objetivo a concep o de uma ferramenta de detec o e isolamento de falhas de sistemas utilizando t cnicas baseadas em modelos A ferramenta chamada Auto FDI Automatic Fault Detection and Isolation visa preencher algumas das lacunas deixadas pelas ferramentas de diagn stico existentes Associado a este objetivo est o de desenvolver e implementar uma t cnica de isolamento de falhas que considere a propaga o de falhas e a falta de informa o sobre o estado de determinados componentes do sistema 1 2 Estrutura da disserta o O restante desta d
186. to FDI considerou caracter sticas essenciais para ferramentas desta natureza Dentre as principais funcionalidades destacamos Permite a cria o de modelos a partir da montagem de componentes Inclui uma vasta gama de componentes para a cria o de modelos para sistemas de diversos setores da ind stria Novos componentes podem ser adicionados facilmente D suporte a v rios tipos de modelos entre eles modelos l gicos booleano modelos representados por equa es alg bricas modelos representados por equa es diferenciais modelos de eventos discretos modelos probabil sticos modelos representados por redes de Petri e modelos representados por m quina de estados finitos Permite interligar modelos de tipos diferentes para composi o de um novo modelo Permite usar t cnicas de detec o e diagn stico de falhas baseadas em modelos de sistemas e modelos de sinais Realiza o isolamento de falhas autom tico sem a necessidade de implementa o de algoritmos adicionais para novos sistemas Alternativamente novos m todos de isolamento de falhas podem ser criados e acoplados facilmente ferramenta Permite a simula o do processo de detec o e diagn stico de falhas e possui mecanismos de inje o de falhas para fins de valida o do processo de detec o e diagn stico Possui uma arquitetura baseada em componentes permitindo adicionar facilmente novos componentes funcionais como por exemplo
187. tos de manutenibilidade extensibilidade custo etc Cada requisitos possui um identificador nico O identificador inicia em RF 1 ou RNF 1 para requisitos funcionais e n o funcionais respectivamente e prossegue sendo incrementado ao passo que novos requisitos s o adicionados E importante ressaltar que os requisitos apresentados aqui passaram por constante evolu o medida que se obteve uma maior compreens o do sistema por parte do cliente V rios requisitos levantados inicialmente mudaram enquanto que outros foram adicionados ou removidos Um exemplo disso foi a remo o do requisito 36 Identifica o autom tica de modelos presente na primeira vers o da especifica o do projeto Deve ser poss vel realizar a identifica o de modelos funcionais de um sistema a partir dos dados monitorados utilizando t cnicas de identifica o de modelos como por exemplos t cnicas de estimativa de par metros Embora o requisito citado acima tenha sido removido devido a uma mudan a no escopo do projeto Smart Analysis por parte do cliente consideramos tal requisito bastante importante em sistemas FDI e apresentamos como proposta para trabalhos futuros no cap tulo 8 O foco de pesquisa deste trabalho o isolamento autom tico de falhas veja requisito RF 13 Uma aten o especial tamb m ser dada aos requisitos Cria o de modelos Interligar modelos de tipos diferentes Modelo de sistema e modelo d
188. tra o modulariza o alta coes o fraco acoplamento oculta o de informa o etc o que propiciou eliminar os principais riscos no projeto e estabelecer uma arquitetura a partir da qual o sistema poder evoluir 5 1 Requisitos arquiteturais Requisitos arquiteturais s o aqueles que t m uma grande influ ncia na determina o da arquitetura do sistema S o normalmente requisitos tecnicamente desafiadores restritivos ou centrais para a finalidade do sistema A identifica o desses requisitos de grande import ncia pois eles s o o foco principal do projeto da arquitetura Os requisitos arquiteturais do sistema Auto FDI s o listados a seguir Usamos a abrevia o introduzida no cap tulo 4 e pedimos ao leitor que se dirija quele capitulo para obter uma descri o completa dos requisitos Os requisitos arquiteturais s o 42 e Requisitos funcionais arquiteturais Cria o de modelos Interligar modelos de tipos diferentes Adi o de modelos Verifica o de consist ncia de modelos Execu o de modelos Gera o de sinais Cria o do ambiente de diagn stico Modelo de sistema e modelo de sinal Realiza o do diagn stico Simula o do Diagn stico Exposi o de funcionalidade e Requisitos n o funcionais arquiteturais Software b sico Arquitetura extens vel Testes autom ticos Stand alone Integra o com ferramentas de model
189. turais 9 e 10 no cap tulo 5 A se o 1 4 do manual da ferramenta Ap ndice C ilustra o uso de adaptadores no estudo 100 de caso Os par metros do modelo pode ser alterados no SimForge no Auto FDI Editor e no Auto FDI Executor Os sinais de sa da s o observados atrav s de gr ficos no SimForge ou alternativamente no Auto FDI Executor durante a realiza o do diagn stico RF 7 Gera o de sinais A ferramenta deve possuir componentes que gerem sinais Tais sinais podem ser utilizados como entradas para modelos ou em qualquer outro ponto em que um sinal seja necess rio para alimentar uma parte de um modelo Deve ser poss vel gerar sinais por conte do especificado em arquivo atrav s de fun es booleanas fun es cont nuas alg bricas e sequ ncias de eventos Coment rios O Auto FDI disponibiliza v rias bibliotecas de componentes para cria o de modelos veja se o 6 2 Entre estes componentes existe uma grande variedade de componentes que geram sinais Para gerar sinais atrav s de um conte do especificado de arquivo temos o componente FileReader que encontra se no pacote Diagnostics Um exemplo de utiliza o desse componente pode ser encontrado na se o 1 4 do manual Ap ndice C Al m do FileReader a Biblioteca Padr o Modelica cont m v rias fun es e componentes para leitura de arquivos no pacote Modelica Utilities e que podem ser usados para cria o de novos componentes de ger
190. u rem para que os objetivos deste trabalho fossem atingidos Aos meus amigos e amigas pelo apoio e imensa torcida Enfim obrigado a todos que contribuiram de maneira direta ou indireta durante essa fase de minha vida vi Conte do p Juroduga0 55o A a davies a Sa da STR dai l 1 1 Obj tivo da disserta o iieii esee ACT y ade ic eis 4 1 2 Estrutura d dissertacdo iss sa o c T aon 5 2 Detec o e diagn stico de falhas em sistemas sssssssseeeeee 6 21 Introdu o sas asd Essa as b wit Tut C o at ARS i 6 2 2 Atributos desej veis em um sistema de DDF ssssssessseeeeee 8 2 3 Detec o e diagn stico de falhas baseados em modelos 10 2 3 1 A fase de detec o de falhas emas 32 AR a ET Du cd Ra 11 2 3 2 A fase de diagn stico de falhas 5 2 eet etre tenere cen ende xve n 13 ZA Modelagem do sistema cecinere e a os uta a aedes dec tdt 16 2 4 1 Modelos te ricos vs modelos experimentais sssessseee 17 3 Uma abordagem para o isolamento de falhas 19 3 1 TIERS AO ace cost Gat Otek cecal edes au NE d cq E d eiue E 19 3 2 Modelo de propaga o de falhas sese 20 3 3 Isolamento de TalBias 35 42 tita t a Cass IR EH NS a 23 3 4 O algoritmo de Isolamento Autom tico de Falhas sss 28 3 4 1 Redu o Os Or alo eet ete ni neta E REE E O S 29 3 4 2 Computa o de BF siti oa dte ie a Sa a Dad 31 3 4
191. ude a janela de montagem do modelo para o modo de edi o textual janela que fica por tr s da edi o gr fica e cole o c digo conforme ilustra a Figura 60 parameter Real K 200 Steady State Gain parameter Real Efmax 7 Maximum Field Voltage p u parameter Real Efmin 0 Minimum Field Voltage p u parameter Real Tr 1 5 AVR Time Constant parameter Real Kstab 20 Power System Stabilizer PSS Gain parameter Real Tw 10 Signal Washout Filter Time Constant parameter Real T1 0 05 PSS Phase Compensation Time Constant 1 parameter Real T2 0 02 PSS Phase Compensation Time Constant 2 parameter Real T3 3 PSS Phase Compensation Time Constant 3 parameter Real T4 5 4 PSS Phase Compensation Time Constant 4 parameter Real vsmax 0 2 PSS Maximum Output Limit parameter Real vsmin 0 2 PSS Maximum Output Limit C digo 6 Trecho de c digo Modelica com definic o dos valores dos par metros do modelo 136 Text editor SistemaDeExcitacao SistemaDeExcitacao File Edit Search Markers Folding View Utilities Macros Plugins Help model SistemaDeExcitacao amnotation Diagram coordinateSystem extent 300 2001 4300 2001111 parameter K 200 Steady State Gain parameter Efmax 7 Maximum Field Voltage p u parameter Efnin 0 Minimum Field Voltage p u parameter Tr 1 5 AVR Time Constant parameter Kstab 20 Power System Stabilizer P55 Gain parameter Tw 10 Signal Wash
192. ue permita a automa o do processo de supervis o das organiza es atrav s da instala o de sistemas de detec o e diagn stico de falhas DDF O processo de detec o e diagn stico de falhas DDF em sistemas tamb m chamado an lise de falhas consiste em tr s fases Gertler1998 e Detec o de falhas Indica o da presen a de falha s e o instante de detec o e Isolamento de falha Determina o da localiza o da s falha s e Identifica o de falhas Determina o do tamanho e tipo da s falha s Os sistemas de detec o e diagn stico de falhas permitem detectar e diagnosticar falhas em sistemas de forma r pida e confi vel e com isso aumentar a efici ncia do processo de diagn stico e manuten o das organiza es Como benef cios diretos podemos destacar o aumento da disponibilidade confiabilidade e seguran a dos sistemas e a diminui o dos custos de opera o e manuten o No passado a supervis o autom tica de sistemas era realizada em sua maioria atrav s da verifica o de limiares de algumas vari veis importantes do sistema Isermann2006 Alarmes eram disparados caso esses limiares fossem ultrapassados sinalizando poss veis falhas no sistema Esse m todo simples pode ser til em alguns casos onde os sistemas monitorados possuem estado constante e onde as vari veis monitoradas n o variam dinamicamente junto com condi es de opera o do sistema como por exe
193. uest es relacionadas leitura e ao processamento de 60 dados dos sistemas simula o do modelo controle do tempo da simula o inje o de falhas etc Todas as funcionalidades da l gica de neg cio s o acessadas estritamente atrav s de uma Fa ade GHJV 1995 um objeto Singleton GHJV 1995 A Facade prov um ponto de acesso nico para a l gica de neg cio atrav s da interface ISmartDiagAPI a decis o de usar uma Fa ade para acessar a l gica de neg cio est explicitada na se o 5 2 Segue uma descri o dos principais m dulos da l gica de neg cio Modelo Modelica Representa os modelos criados com a ferramenta de modelagem e que ser o usados para realiza o do diagn stico ModelicaProxy Fornece uma API para f cil acesso informa es sobre o modelo Modelica vari veis par metros etc e ao resultado da simula o do modelo Clock Este componente gera eventos do tipo ClockEvent indicando a passagem de uma unidade de tempo Permite cadastrar componentes que tenham interesse em acompanhar a passagem do tempo ClockListener ModelicaCommunication Componente disponibiliza informa es sobre o modelo Modelica a estrutura do modelo do sistema as vari veis par metros etc e sobre resultado da simula o do modelo Este componente um ClockListener e portanto recebe eventos do rel gio Ao receber um evento do rel gio ele coleta informa es resultantes da simula o do modelo Mode
194. uitetura usando diagramas UML 2 0 e coment rios associados a esses diagramas em seguida nas se es 5 3 2 e 5 3 3 s o apresentadas as interfaces principais dos m dulos do sistema A estrutura da arquitetura descrita seguindo uma abordagem top down com os diagramas mais gerais apresentados primeiro e detalhamento dos sub sistemas apresentados em seguida O coment rio que acompanha cada diagrama explica alguns pontos cruciais da organiza o e oferece explica es sobre as decis es tomadas fazendo refer ncia a decis es arquiteturais da se o 5 2 5 3 1 M dulos principais Diagrama Arquitetura geral 57 Cliente Web a Services Sistema Smart Diagnostics T ISmartDiagWs Interface com amp of Web Services Usuario T ISmartDiagAPI Ferramenta amp Modelo amp 2 Modelagem Modelica L gica de Neg cio Arquivos do Sistema Figura 22 Arquitetura geral do Auto FDI Coment rio Conforme mostra a Figura 22 a arquitetura geral da ferramenta est divida em m dulos cada um isolando uma parte do sistema de outras partes Os principais m dulos s o e Interface com o usu rio Interface desktop que permite acesso aos servi os da l gica de neg cio e L gica de neg cio Consiste na parte do Auto FDI que implementa os servi os principais do sistema A l gica de ne
195. utura de testes tamb m incluiu an lise de cobertura de c digo realizada com o aux lio da ferramenta NCover NCover 7 2 Valida o da ferramenta A valida o da ferramenta foi feita atrav s da realiza o de um estudo de caso por potenciais usu rios e teve como principal objetivo avaliar a satisfa o dos usu rios em rela o utilidade da ferramenta Participaram desta avalia o o engenheiro da CHESF Iony Patriota cliente da ferramenta e os professores da Universidade Federal de Campina Grande Jacques Philippe Sauv e Jorge Cesar Abrantes de Figueiredo O estudo de caso na forma de um manual de uso da ferramenta encontra se no Ap ndice C desta disserta o A execu o do estudo por parte do cliente foi particularmente importante para avaliar se os requisitos est o realmente de acordo com suas expectativas Atrav s da utiliza o da ferramenta o cliente pode ter uma maior clareza do que necess rio que a ferramenta fa a para satisfaz lo plenamente Al m disso permitiu com que ele pudesse contribuir com sugest es de melhorias A seguir mostramos a satisfa o dos principais requisitos e alguns resultados pr ticos de uso da ferramenta 97 7 2 1 Satisfa o dos requisitos Esta se o cont m uma breve discuss o sobre a satisfa o dos requisitos mais relevantes da ferramenta RF 1 Cria o de Modelos Deve existir uma interface gr fica que permita criar modelos visualmente atrav s
196. y Identifiability Capacidade de diferenciar entre o funcionamento normal e anormal do sistema sendo monitorado incluindo a identifica o de falhas novas desconhecidas Deseja se que essas falhas n o passem despercebidas e tamb m n o sejam confundidas com falhas j conhecidas e Identifica o de m ltiplas falhas A identifica o de m ltiplas falhas ocorrendo simultaneamente um requisito altamente desejado em um sistema de DDF por m uma tarefa bastante dif cil de ser alcan ada Modelar o efeito combinado de v rias falhas n o uma tarefa f cil Por outro lado verificar a combina o de todas as falhas poss veis se torna computacionalmente invi vel em sistemas complexos e Facilidade de explica o Al m de identificar a fonte das falhas um sistema de DDF deveria prover explica es sobre o que originou as falhas e de como elas se propagaram at a situa o atual Essa informa o permite que a es sejam tomadas para evitar que essas situa es se repitam e Adaptabilidade O sistema de DDF deve ser capaz de manter sua funcionalidade mesmo com mudan as no sistema sendo monitorado Essas mudan as podem ser causadas por dist rbios ou devidas a outros fatores como por exemplo uma mudan a nas condi es de opera o devido a um aumento na produ o 2 3 Detec o e diagn stico de falhas baseados em modelos O processo de detec o e diagn stico de falha baseados em modelos utili
197. y faulty system are compared with expected signals from a model The fault isolation employs a technique developed on this work called automatic isolation This technique uses a graph based approach which considers the fault propagation and the lack of information about certain components of the system Faults are pinpointed as accurately as possible given the level of detail in the model In the scope of this work was addressed the whole process of specification design implementation and validation of the tool used as proof of concept for the developed technique The validation of the tool was made by conducting a case study for potential users that has demonstrated the applicability of the tool and the technique developed Keywords software tool fault detection fault diagnosis fault isolation fault propagation fault propagation model graph Agradecimentos A Deus que est presente em todos os momentos de minha vida A toda minha fam lia pelo apoio e incentivo constante durante essa jornada especialmente aos meus pais A minha namorada Adriana pelo seu amor carinho e compreens o Ao meu orientador Jacques por seus ensinamentos e pela confian a de que poder amos realizar um bom trabalho Ao professor Jorge que esteve t o presente ao longo do meu mestrado A Aninha e Vera secret rias da COPIN que com carinho e prontid o estiveram sempre dispostas a ajudar A toda equipe do projeto Smart Analysis por contrib
198. ymptom File Reader ourier Analysis comp4 Figura 47 Detecc o de falhas usando t cnicas baseadas em modelo do sistema e modelo de sinais Os exemplos acima apresentados comprovam a satisfac o deste requisito n RF 17 RF 13 Realizac o do diagn stico Deve ser poss vel realizar o diagn stico atrav s do ambiente de diagn stico criado Valores para par metros e para os sinais de entrada e sa da oriundos de um sistema real devem ser informados O diagn stico deve indicar as poss veis falhas no sistema sendo avaliado O isolamento de falhas deve ser realizado de forma autom tica dado o modelo estrutural do sistema sem necessidade de implementa o de algoritmos especiais para diferentes sistemas Falhas devem ser identificadas de forma mais precisa poss vel dado o n vel de detalhes do modelo Deve ser poss vel realizar o diagn stico em sistemas com at 1000 componentes em no m ximo 10 segundos Coment rios Para atender esse requisito foi desenvolvido o Auto FDI Executor veja se o 6 1 3 O Executor permite a visualiza o e ou altera o dos par metros do modelo que foram selecionados durante a montagem na interface no Auto FDI Editor Os sinais de entrada e sa da do sistema s o obtidos de arquivos ou outra fonte dependendo dos adaptadores de entrada usados Os arquivos s o informados atrav s dos par metros dos componentes adaptadores veja Figura 73 no Ap ndice C 105 A indica o
199. za explicitamente um modelo do sistema ou de aspectos do sistema a ser monitorado Atrav s da compara o entre o comportamento do sistema e o comportamento esperado especificado no modelo poss vel identificar anormalidades no sistema Nesta abordagem existem dois tipos de modelos que podem ser usados o modelo de sinais e o modelo do sistema O modelo de sinais considera o comportamento de oscila o ou de tempo c clico de alguns sistemas como por exemplo m quinas de rota o e ru do ac stico Tanto os sinais peri dicos como os estoc sticos podem ser usados na detec o de falhas desde que mudan as nos sinais sejam causadas por falhas nos sistemas O modelo do sistema por sua vez consiste em uma representa o do sistema a ser modelado contendo entradas sa das poss veis dist rbios e falhas A figura abaixo ilustra a estrutura b sica de um sistema de detec o e diagn stico de falhas baseados em modelos do sistema Figura 4 a e em modelo de sinais Figura 4 b 10 Entrada 1 Entrada Sistema em Sistema Detecc o de Falhas Detecc o de Falhas Sintomas Isolamento e Isolamento e Identifica o de falhas Identifica o de falhas Figura 4 retirada de Pontes2008 Estrutura de um sistema de detec o e diagn stico de falhas baseados em modelos A fase de detec o de falhas tem como resultado a gera o de sintomas Os sintomas indicam o estado do sistema com falha ou sem falha

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